Co je oxid titaničitý?

Co je oxid titaničitý?

Oxid titaničitý (chemický vzorec: je bílý anorganický pigment, který je netoxický, má nejlepší neprůhlednost, nejlepší bělost a jas, je považován za nejlepší bílý pigment na světě. Titanová běloba má silnou přilnavost a není snadné ji chemicky změnit. Je vždy bílý. Široce se používá v nátěrových hmotách, plastech, papíru, tiskařských barvách, chemických vláknech, gumárenství, kosmetice a dalších odvětvích. Jeho bod tání je velmi vysoký a používá se také k výrobě žáruvzdorného skla, glazury, smaltu, hlíny, experimentálního nádobí odolného vůči vysokým teplotám atd.
Současně má oxid titaničitý lepší maskovací účinek proti UV záření. Často se používá jako ochrana proti slunečnímu záření k přimíchání do textilních vláken a ultrajemný prášek oxidu titaničitého se také přidává do opalovacího krému k výrobě opalovací kosmetiky.

Oxid titaničitý lze získat z rutilu rozkladem v kyselině nebo rozkladem tetrachloridu titaničitého. Oxid titaničitý má stálé vlastnosti a je široce používán jako bílý pigment v barvách. Má dobrou krycí schopnost, podobnou olovnaté bělobě, ale není černý jako olovnatá běloba; má stejnou trvanlivost jako zinková běloba. Oxid titaničitý se také používá jako matující činidlo pro smalty, díky němuž lze získat velmi světlý, tvrdý a kyselinovzdorný krycí smalt.

Oxid titaničitý se obecně dělí na anatas (zkráceně typ A) a rutil (zkráceně typ R).

Fyzická vlastnost

Relativní hustota: z běžně používaných bílých pigmentů má oxid titaničitý nejnižší relativní hustotu. Mezi bílými pigmenty stejné kvality má oxid titaničitý největší povrch a největší objem pigmentu.

Dielektrická konstanta: oxid titaničitý má díky své vysoké dielektrické konstantě vynikající elektrické vlastnosti. Při určování některých fyzikálních vlastností oxidu titaničitého je třeba vzít v úvahu směr krystalu oxidu titaničitého. Například dielektrická konstanta rutilového typu se mění podle směru krystalu. Když je rovnoběžná s osou c, je naměřená dielektrická konstanta 180, když je v pravém úhlu k ose, je 90 a průměrná hodnota prášku je 114. Dielektrická konstanta anatasového oxidu titaničitého je pouze 48.
Vodivost: oxid titaničitý má vlastnosti polovodiče. Jeho vodivost se rychle zvyšuje s rostoucí teplotou a je také velmi citlivý na hypoxii. Například rutilový oxid titaničitý je při teplotě 20 ℃ stále elektrickým izolantem, ale jeho vodivost se při zahřátí na 420 ℃ zvýší 107krát. Vodivost TiO2 je podle chemického složení menší než 10-10s/cm, ale vodivost TiO2 je až 10-1s/cm. Dielektrická konstanta a polovodičové vlastnosti rutilového oxidu titaničitého jsou velmi důležité pro elektronický průmysl, který výše uvedené vlastnosti využívá k výrobě elektronických součástek, jako jsou keramické kondenzátory.
Tvrdost: podle stupnice 10 bodů Mohsovy tvrdosti je rutilový oxid titaničitý 6-6,5, anatasový oxid titaničitý 5,5-6,0, takže při chemickém zhášení vláken se používá anatasový typ, aby se zabránilo oděru otvoru spinneretu.

Krystalová struktura rutilu
Bod tání a bod varu: protože anatas a anatasový oxid titaničitý se při vysoké teplotě změní na rutil, bod tání a bod varu anatasu a anatasového oxidu titaničitého neexistují. Teplotu tání a varu má pouze rutilový oxid titaničitý. Teplota tání rutilového oxidu titaničitého je 1850 ℃, teplota tání na vzduchu je (1830 ± 15) ℃ a teplota tání v prostředí obohaceném kyslíkem je 1879 ℃. Teplota tání souvisí s čistotou oxidu titaničitého. Teplota varu rutilového oxidu titaničitého je (3200 ± 300) k a oxid titaničitý je při této vysoké teplotě mírně těkavý.
Hygroskopičnost:
Ačkoli má oxid titaničitý hydrofilní vlastnosti, jeho hygroskopičnost není příliš silná a rutil je menší než anatas.

• Hygroskopičnost oxidu titaničitého souvisí s jeho velkým a vysokým povrchem.
• Hygroskopičnost oxidu titaničitého souvisí také s jeho povrchovou úpravou a vlastnostmi.

Tepelná stabilita:
Oxid titaničitý je druh materiálu s dobrou tepelnou stabilitou, obecné dávkování je 0,01% - 0,12%.
Fyzikální struktura: rutil, anatas; krystalová soustava, tetragonální soustava.
Mřížkové konstanty: osa a 0,458, osa c 0,795, osa a 0,378, osa c 0,949

• Osa: 7.19X10-6 2.88~10-6
• Osa C: 9.94X10-6 6.44~10-6

Chemická vlastnost

Metatitan barnatý se tvoří z roztaveného uhličitanu barnatého (jako pomocné rozpouštědlo se přidává chlorid barnatý nebo uhličitan sodný):

• TiO2+BaCO3=BaTiO3+CO2↑

Nerozpustný ve vodě nebo ve zředěné kyselině sírové, ale rozpustný v horké koncentrované kyselině sírové nebo v roztaveném hydrosíranu draselném:

• TiO2+H2SO4=TiOSO4+H2O

Ačkoli je roztok oxidu titaničitého rozpuštěný v horké koncentrované kyselině sírové kyselý, může být také hydrolyzován při zahřátí a varu, čímž se získá hydratovaný oxid titaničitý (β - kyselina titaničitá) nerozpustný v kyselinách a zásadách. Pokud se do nově připraveného roztoku kyseliny titaničité přidá zásada, lze získat čerstvý hydratovaný oxid titaničitý (α - kyselina titaničitá). Reakční aktivita kyseliny α - titanové je vyšší než reakční aktivita kyseliny β - titanové a lze ji rozpustit ve zředěné kyselině a koncentrované zásadě. Po rozpuštění v koncentrovaném roztoku hydroxidu sodného lze z roztoku oddělit hydratovaný titanistan se vzorcem Na2TiO3 - H2O.
Plynný tetrachlorid titaničitý lze připravit lisováním oxidu titaničitého a uhlíkového prášku do skupiny, koksováním a zahříváním na 1070-1170k.

• TiO2+2Cl2+2C=TiCl4↑+2CO↑

Tato reakce je velmi důležitá pro extrakci titanu. Hořčík nebo sodík mohou snadno redukovat tetrachlorid titaničitý.
Oxid titaničitý lze také použít k výrobě tetrachloridu titaničitého reakcí oxidu titaničitého s chlorovacími činidly, jako jsou CoCl2 (fosgen), SOCl2 (dichlorsulfoxid), CHCl3 (trichlormethan), CCl4 (tetrachlormethan).

• TiO2 + CCl4 = TiCl4 ↑ + 2co2 ↑ (reakce je dokončena při 770k)

Vlastnosti povrchu

Superhydrofilnost povrchu

Výsledky ukazují, že superhydrofilnost povrchu TiO2 je způsobena změnou jeho povrchové struktury. Pod UV zářením jsou elektrony valenčního pásu TiO2 excitovány do vodivostního pásu, elektrony a díry migrují na povrch TiO2 a na povrchu vznikají páry elektron-díra, elektrony reagují s Ti, díry reagují s povrchovými přemosťujícími ionty kyslíku, přičemž vznikají kladné trojmocné ionty titanu, resp. díry kyslíku. V této době se hydrolytická disociace na vzduchu adsorbuje v kyslíkové vakanci a stává se z ní chemicky adsorbovaná voda (povrchový hydroxyl). Chemicky adsorbovaná voda může dále adsorbovat vodu ve vzduchu a vytvářet fyzikální adsorpční vrstvu.

Povrchový hydroxyl

Ve srovnání s jinými polokovovými materiály je polarita vazby Ti-O v TiO2 větší a voda adsorbovaná na povrchu se v důsledku polarizace disociuje, což usnadňuje tvorbu hydroxylu. Povrchový hydroxyl může zlepšit výkonnost TiO2 jako adsorbentu a různých monomerů a poskytnout pohodlí pro modifikaci povrchu.

Kyselost a zásaditost povrchu

Při modifikaci TiO2 se často přidává Al, Si, Zn a další oxidy. Pokud existují samotné oxidy Al nebo Si, není zřejmá žádná acidobazická vlastnost. Když se však TiO2 kombinuje s TiO2, vykazuje silnou acidobazickou vlastnost a lze jej použít k přípravě pevné superkyseliny.

Povrchová elektřina

Částice TiO2 v kapalném (zejména polárním) prostředí vytvoří difuzní dvojitou elektrickou vrstvu, protože povrchový náboj adsorbuje opačný náboj, což zvyšuje efektivní průměr částic. Když jsou částice blízko sebe, odpuzují se kvůli stejnému náboji, což přispívá ke stabilitě disperzního systému. Například povrch TiO2 pokrytý Al2O3 má kladný náboj, zatímco TiO2 upravený SiO2 má záporný náboj.

Způsob přípravy

Oxidace v plynné fázi

Oxidace v plynné fázi při 923k-1023k se suchým kyslíkem:

• TiCl4+O2=TiO2+2Cl2

Metoda s kyselinou sírovou

Nejprve byl rozpustný síran připraven reakcí rozemletého ilmenitu a kyseliny sírové (koncentrace ≥ 80%, teplota 343k-353k) za stálého přístupu vzduchu a míchání.

• FeTiO3+H2SO4=TiOSO4+FeSO4+2H2O

Vzhledem k tomu, že reakce je exotermická, může teplota při prudké reakci dosáhnout až 473 K.
Při přípravě oxidu titaničitého je klíčovým krokem hydrolyzace titanové kapaliny:

• TiOSO4+2H2O=TiO2·H2O↓+H2SO4

Koncentrace roztoku titanu a teplota kyselosti ovlivňují hydrolýzní reakci. Čím nižší je koncentrace, tím nižší je kyselost, a čím vyšší je teplota, tím snadněji reakce proběhne. Aby se zvýšila teplota, reakce se často provádí pod tlakem, což může také srážené částice přiblížit, takže produkt má lepší fyzikální vlastnosti.

Stanovení obsahu titanu v přípravku oxidu titaničitého

Při stanovení se do titanové kapaliny nejprve přidá hliník a Ti (IV) se redukuje na Ti3+. Redukční schopnost Ti3+ je silnější než SN2+, může redukovat Fe3+. Proto se při stanovení používá jako indikátor KSCN a Ti3 + se titruje standardním roztokem Fe3 +. Při titraci, kdy je iont Fe3 + mírně nadměrný, vznikne krvavě červený [fescn] 2 + a pak se dosáhne koncového bodu titrace.
Pigment TiO2 se ze suroviny extrahuje buď kyselinou sírovou, nebo chlorem. Chlorový proces je pokročilejší technologií a obecně se má za to, že má nižší strukturu nákladů než sulfátový proces. Zatímco chlorový proces má vyšší náklady na surovou rudu kvůli použití čistší suroviny, sulfátový proces má vyšší náklady na pracovní sílu, odpad a odpovědnost za životní prostředí. Chloridový proces je obecně upřednostňován pro hlavní konečné použití v nátěrových hmotách a plastech a přibližně dvě třetiny celosvětové kapacity využívají chlorid.

Celkovou chemii obou procesů lze znázornit takto:

Srovnání dvou postupů výroby oxidu titaničitého.

Průmysl TiO2

Celosvětový průmysl oxidu titaničitého se orientuje na asijsko-pacifický region. Pokud jde o nabídku, kapacita oxidu titaničitého v Číně překonala kapacitu v USA a dosáhla více než 2 milionů tun, čímž se Čína stala největším světovým výrobcem oxidu titaničitého. V roce 2011 se produkce oxidu titaničitého v Číně meziročně zvýšila o 23,101 t na 1,812 milionu tun. Kromě nové kapacity ve výši 350 000 tun, na které se podílí společnost DuPont, se očekává, že veškeré zvýšení kapacity výroby oxidu titaničitého bude v budoucnu pocházet především z Číny.
Odvětví se od 90. let potýká s nadbytečnou kapacitou. Ceny TiO2 v reálném vyjádření klesly v letech 1990 až 2009 téměř na 50%. Vzhledem k vysoké struktuře fixních nákladů v tomto odvětví výrobci v obdobích nadbytečné kapacity snižovali ceny v zoufalé snaze využít nadbytečnou kapacitu.
Poslední dvě desetiletí byla pro výrobce TiO2 přinejlepším mírně zisková, přičemž závody často pracovaly na hranici rentability. Nadměrná kapacita však přetrvává, částečně kvůli velkým ekologickým závazkům spojeným s vyřazením závodu na výrobu TiO2 z provozu.
Poptávka po TiO2 prošla v letech 2008-9 vzácným postupným poklesem, když se během těchto dvou let celosvětově snížila o 8% a na západních trzích o 16%. Několik výrobců reagovalo trvalým uzavřením závodů s vyššími náklady, které představovaly 71 t3 t celosvětové kapacity. Kromě toho mnoho výrobců dočasně zastavilo provoz kvůli slabé poptávce. Tato zastavení výroby spolu s nárůstem poptávky v důsledku doplňování zásob v době celosvětového oživení vedla k omezení nabídky a prudkému růstu cen počínaje druhou polovinou roku 2009. Od té doby ceny trvale rostou a hlavní výrobci již oznámili zvýšení cen pro třetí a čtvrté čtvrtletí roku 2011. Ačkoli pro toto odvětví neexistuje žádný jednotně dohodnutý cenový index, na základě údajů z tohoto odvětví a veřejných zpráv společností se ceny v uplynulém roce zvýšily přibližně o 40%.
Hlavní otázkou na straně nabídky je Čína. Společnost Ti Insight odhaduje, že v Číně je v současné době 60 až 80 závodů na výrobu TiO2 s kapacitou přibližně 1 milion tun, což je téměř výhradně síranová kapacita. Čínští výrobci oznámili několik významných rozšíření kapacit, ale existují pochybnosti, zda budou tyto závody skutečně postaveny, natož zda budou skutečně pracovat na uvedenou kapacitu. (Společnost DuPont má od roku 2005 projekt čínské továrny, který uvízl v počátečních fázích plánování). Společnost Ti Insight odhaduje, že Čína do roku 2015 zvýší kapacitu o 770 000 tun. Konzultanti v oboru i odběratelé TiO2 se shodují na tom, že čínská výroba je obecně považována za vhodnou pouze pro trhy nižší třídy a v současné době nepředstavuje pro západní výrobce zásadní hrozbu. Sulfátový proces produkuje méně kvalitní základní pigment než chloridový. Sulfátový TiO2 lze sice upravit tak, aby byl kvalitativně srovnatelný s chloridovým, ale tento proces úpravy si každý výrobce vyhrazuje sám a Číňané v této oblasti nedosahují západních standardů. Chlorovou technologií disponuje pouze pět nejvýznamnějších výrobců a předpokládá se, že čínští výrobci budou mít problém ji napodobit, i kdyby se o to pokusili. A dokonce i s předpokládaným rozšířením čínské kapacity je celkové CAGR dodávek do roku 2015 pouze 3%. To bude pravděpodobně jen přibližně držet krok s růstem poptávky.

Oblast použití

Průmyslová aplikace

Oxid titaničitý je důležitým bílým pigmentem a glazurou porcelánu. Používá se v barvách, inkoustech, plastech, gumě, papíru, chemických vláknech, akvarelových pigmentech a dalších odvětvích.
Oxid titaničitý je nejbělejší věc na světě. Jeden gram oxidu titaničitého dokáže bíle zbarvit plochu o rozloze více než 450 centimetrů čtverečních. Je pětkrát bělejší než běžný bílý pigment - litopon, takže je to nejlepší pigment pro přípravu bílé barvy. Oxid titaničitý, který se ve světě používá jako pigment, dosahuje až několika set tisíc tun ročně. Oxid titaničitý lze přidávat do papíru, aby byl papír bílý a neprůhledný, a jeho účinek je 10krát větší než u jiných látek. Proto by se do papíru na bankovky a uměleckého papíru měl přidávat oxid titaničitý.
Pro zesvětlení barvy plastů a zjemnění lesku hedvábí se někdy přidává oxid titaničitý.
V gumárenském průmyslu se oxid titaničitý používá také jako plnivo bílého kaučuku.
Fotochemické vlastnosti polovodičového oxidu titaničitého umožnily jeho využití v mnoha oblastech, například při čištění vzduchu, vody a kapalin. Fotokatalyzátory dopované uhlíkem nebo jinými heteroatomy lze také použít v uzavřených prostorech nebo oblastech s rozptylujícími zdroji světla. Pokud jsou použity v nátěrech na budovách, deskách pro chodce, betonových stěnách nebo střešních taškách, mohou výrazně zvýšit rozklad látek znečišťujících ovzduší, jako jsou oxidy dusíku, aromáty a aldehydy.
Kromě toho se široce používá při výrobě opalovacích krémů, je netoxický, neškodný pro lidský organismus.

Ultrajemný oxid titaničitý má vynikající UV stínění a průhlednost. Je široce používán v kosmetice, při ochraně dřeva, při výrobě obalových plastů pro potraviny, odolných fólií pro domácnost, umělých a přírodních vláken a transparentních nátěrů. Díky speciálnímu optickému efektu v metalickém zábleskovém povlaku si získává pozornost a uplatnění ve vysoce kvalitních autolacích.

Aplikace pro potraviny

Americký úřad pro kontrolu potravin a léčiv stanoví, že oxid titaničitý lze používat jako všechny potravinářské bílé prvky a maximální množství pro použití je 1 g/kg sec. 73.575 oxidu titaničitého. Oxid titaničitý, pigmentová přísada, může být bezpečně používán k obecnému barvení potravin a musí splňovat následující předpisy:

• (1) Množství oxidu titaničitého by nemělo překročit 1% hmotnosti potraviny.
• (2) Podle zvláštních norem zveřejněných v článku 401 vyhlášky se nesmí používat barviva, která nelze použít, pokud neexistují obdobné normy umožňující přidávání barviv.
• (3) Pro barvení potravin může oxid titaničitý, pigmentová přísada pro potraviny, obsahovat vhodné ředidlo jako bezpečnou pigmentovou přísadu takto: oxid křemičitý jako dispergátor neobsahuje více než 2%.

Úpravy výrobků: konzervované ovoce, želé, smažené potraviny, kakaové výrobky, čokoláda, čokoládové výrobky, tvrdé bonbony, leštěné bonbony, bonbony na bázi žvýkaček, pufované potraviny, cukrovinky, čokoládové výrobky, nátěry, majonézy, salátové dresinky, džemy, tuhé nápoje, konjakové gelové potraviny atd.

Ochrana životního prostředí

Čištění vzduchu

Oxid titaničitý, jako katalyzátor fotokatalytického pigmentu, je nejen druhem ekologicky bezpečného čističe, ale může také šetřit energii a chránit zdroje životního prostředí.
První japonští a britští vědci aplikovali oxid titaničitý na povrch dlažebních kostek na městských silnicích, aby vyčistili ovzduší. Oxid titaničitý lze smíchat s asfaltem a snížit tak množství škodlivin v ovzduší. Při průjezdu automobilu může beton nebo asfalt obsahující oxid titaničitý vyčistit ovzduší a eliminovat 25% až 45% oxidů dusíku v emisích automobilů. Pokud je oxid titaničitý nanesen na povrch betonu, je účinek čištění ovzduší rovněž významný.

Obrázek ukazuje oxid titaničitý pod elektronovým mikroskopem.

Ochlazování Země

V květnu 2012 přišli britští vědci s odvážnou myšlenkou, že mohou ochlazovat Zemi tím, že do stratosféry rozprašují dostatečné množství oxidu titaničitého, který odráží sluneční světlo, což může účinně kompenzovat různé nepříznivé klimatické faktory způsobené globálním oteplováním.
Protože oxid titaničitý může účinně odrážet přímé sluneční světlo a jeho vlastnosti jsou stabilní, má dobrou krycí schopnost, například postřik ve stratosféře může hrát dlouhodobou roli. Britští vědci navrhli, že tuto chemickou látku lze do stratosféry dopravit pomocí výškových balonů a poté ji vypustit. Jakmile je oxid titaničitý rovnoměrně rozptýlen ve stratosféře, může účinně odrážet sluneční světlo, a tím ochlazovat Zemi.
Projekt má na starosti Peter Davidson, chemický inženýr a prezident britské poradenské firmy Davidson technology. Uvedl, že pouhé 3 miliony tun oxidu titaničitého, které je třeba dopravit do stratosféry, mohou ve stratosféře vytvořit ochrannou vrstvu o tloušťce 1 mm, která může sehrát obrovskou roli - stačí k vyrovnání dvojnásobku současného obsahu oxidu uhličitého v atmosféře Skleníkový efekt.

Kosmetika na opalování

Protože ultrafialové záření má velké škody na lidském těle, rozvinuté země věnovaly v posledních letech více pozornosti výzkumu a vývoji opalovacích přípravků a uvedly na trh řadu anti ultrafialových vláken, plastů, filmů, povlaků a krémů na ochranu proti slunci, podkladů, rtěnek, pěn, krémů a další kosmetiky proti slunci. V posledních letech Čína rovněž zvýšila výzkum a výrobu opalovací kosmetiky.

V minulosti však většinu opalovacích krémů tvořily benzofenon, o-aminobenzofenon, salicylát, kyselina p-aminobenzoová, skořicitan a další organické sloučeniny, takže byly nestabilní, krátkodobé a měly velké vedlejší účinky s určitou toxicitou a podrážděním. Pokud se jich přidávalo příliš mnoho, vyvolávaly chemickou alergii, a dokonce vedly k rakovině kůže. Jako anorganická složka má nanodioxid titaničitý vynikající chemickou stabilitu, tepelnou stabilitu, nemigruje, má silnou achromatickou a krycí schopnost, nízkou korozivitu, dobrou dispergovatelnost, je netoxický, bez chuti, nedráždivý, bezpečný pro použití a má také funkci sterilizace a deodorace. Navíc, jak již bylo zmíněno, nano oxid titaničitý dokáže nejen absorbovat ultrafialové záření, ale také vyzařovat a rozptylovat ultrafialové paprsky, takže má silnou schopnost působit proti ultrafialovému záření. Ve srovnání se stejnou dávkou organického anti UV činidla je jeho absorpční vrchol v ultrafialové oblasti vyšší; nano oxid titaničitý navíc dokáže blokovat ultrafialové záření v oblasti středních a dlouhých vln, na rozdíl od organických anti UV činidel, která mohou blokovat ultrafialové záření pouze v oblasti středních nebo dlouhých vln. Zejména díky svým jemným částicím, vysoké průhlednosti hotového výrobku, může procházet viditelným světlem a bělost pokožky je při přidávání kosmetiky přirozená. Překonává nedostatky některých neprůhledných organických nebo pigmentových oxidů titaničitých, které způsobují, že pokožka působí nepřirozeně bledě. Z tohoto důvodu byl nanooxid titaničitý široce ceněn a postupně nahradil některé organické anti UV látky a stal se fyzikální ochrannou anti UV látkou s vynikajícím výkonem v dnešní kosmetice na ochranu před sluncem.
Se zlepšováním životní úrovně lidí a zesilováním mezinárodní konkurence se bude postupně zvyšovat výzkum a vývoj bezpečné a účinné opalovací kosmetiky. V současné době vykazuje trh s opalovací kosmetikou ve vyspělých zemích silnou vitalitu. V letech 1999 až 2000 dosáhl roční objem prodeje ve Spojených státech 737 milionů amerických dolarů, resp. 765 milionů amerických dolarů, a ve Spojeném království 245 milionů amerických dolarů, resp. 270 milionů amerických dolarů. V posledních letech se roční objem prodeje ve Spojených státech zvýšil o 20%, resp. 10%, a spotřeba nanodioxidu titaničitého se také rok od roku výrazně zvyšuje. Roční poptávka po nanodioxidu titaničitém v kosmetice odolné vůči UV záření v Japonsku je více než 1000 t a spotřeba v textilních, plastových a pryžových výrobcích je vyšší.
Z vývojových trendů opalovací kosmetiky je jedním z nich anorganický opalovací krém namísto organického opalovacího krému, druhým je bionický opalovací krém. Ten je v současnosti dražší a obtížněji se popularizuje. První z nich má mírnou cenu a vynikající opalovací účinek, takže je všeobecně přijímán. Zejména nanodioxid titaničitý má díky svým vynikajícím vlastnostem a perspektivě použití dobrou dynamiku vývoje a tržní potenciál.
Zdroj:: Čína Výrobce titanových tvarovek: www.titaniuminfogroup.com

• Co je titanová houba