酸化チタンとは何ですか？

酸化チタンとは何ですか？

二酸化チタン（化学式：二酸化チタン（化学式：TiO2、両性酸化物のような白色固体または粉末、分子量：79.9）は、白色無機顔料であり、無毒性、最高の不透明度、最高の白色度と輝度を持ち、現在世界で最高の白色顔料と考えられている。チタンホワイトは強い接着力を持ち、化学変化しにくい。常に白色である。塗料、プラスチック、紙、印刷インキ、化学繊維、ゴム、化粧品などの産業で広く使用されている。融点が非常に高く、耐火ガラス、釉薬、エナメル、粘土、耐高温実験器具などの製造にも使用される。
同時に、二酸化チタンはより優れた紫外線マスキング効果を持つ。酸化チタンは日焼け止めとして繊維に練り込んだり、超微粒子酸化チタンパウダーを日焼け止めクリームに混ぜて日焼け止め化粧品に使用される。

二酸化チタンはルチルから酸分解または四塩化チタン分解によって得られる。二酸化チタンは安定した性質を持ち、塗料の白色顔料として広く使用されている。二酸化チタンは鉛白に似た良好な被覆性を持つが、鉛白のような黒色ではなく、亜鉛白と同等の耐久性を持つ。二酸化チタンはエナメルの艶消し剤としても使用され、非常に明るく、硬く、耐酸性のあるエナメル被膜を作ることができる。

二酸化チタンは一般的にアナターゼ型（略してA型）とルチル型（略してR型）に分けられる。

物理的性質

相対密度： 一般的に使用される白色顔料の中で、二酸化チタンの相対密度は最も低い。同じ品質の白色顔料の中で、二酸化チタンは最大の表面積と最大の顔料体積を持つ。

誘電率： 二酸化チタンは、その高い誘電率のために優れた電気的特性を有する。二酸化チタンのいくつかの物理的特性の決定においては、二酸化チタンの結晶方向を考慮する必要がある。例えば、ルチル型の誘電率は結晶の方向によって変化します。c軸に平行な場合、測定された比誘電率は180、軸に直角な場合は90、粉末の平均値は114です。アナターゼ型酸化チタンの比誘電率はわずか48です。
導電率： 二酸化チタンは半導体の性質を持っている。その導電性は温度の上昇とともに急速に増加し、低酸素にも非常に敏感である。例えば、ルチル型酸化チタンは20℃ではまだ電気絶縁体であるが、420℃に加熱するとその導電率は107倍になる。酸化チタンの導電率は化学組成によって10-10s / cm以下であるが、TiO2の導電率は10-1s / cmと高い。ルチル型酸化チタンの誘電率と半導体特性は電子産業にとって非常に重要であり、セラミックコンデンサーのような電子部品を製造するために上記の特性が利用されている。
硬度： モース硬度は10段階で、ルチル型酸化チタンは6～6.5、アナターゼ型酸化チタンは5.5～6.0である。

ルチルの結晶構造
融点と沸点： アナターゼおよびアナターゼ型二酸化チタンは高温でルチルに変化するため、アナターゼおよびアナターゼ型二酸化チタンの融点および沸点は存在しない。ルチル型酸化チタンだけが融点と沸点を持ちます。ルチル型酸化チタンの融点は1850℃、空気中での融点は（1830±15）℃、酸素富化状態での融点は1879℃です。融点は二酸化チタンの純度に関係する。ルチル型二酸化チタンの沸点は(3200±300)kであり、二酸化チタンはこの高温でわずかに揮発する。
吸湿性：
二酸化チタンは親水性を持つが、吸湿性はそれほど強くなく、ルチル型はアナターゼ型より小さい。

• 二酸化チタンの吸湿性は、その表面積が大きく高いことに関係している。
• 二酸化チタンの吸湿性は、その表面処理や特性にも関係している。

熱安定性：
二酸化チタンは熱安定性の良い材料で、一般的な使用量は0.01%～0.12%です。
物理構造: ルチル型、アナターゼ型; 結晶系: 正方晶系。
格子定数： a軸0.458、c軸0.795、a軸0.378、c軸0.949

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

化学的性質

メタチタン酸バリウムは、溶融した炭酸バリウム（補助溶媒として塩化バリウムまたは炭酸ナトリウムを加える）から生成される：

• TiO2+BaCO3=BaTiO3+CO2↑

水や希硫酸には溶けないが、高温の濃硫酸や溶融二硫酸カリウムには溶ける：

• TiO2+H2SO4=TiOSO4+H2O

二酸化チタンを高温の濃硫酸に溶かした溶液は酸性であるが、加熱・煮沸することで加水分解し、酸やアルカリに不溶な水和二酸化チタン（β-チタン酸）を得ることもできる。新たに調製した塩酸チタン溶液にアルカリを加えれば、新鮮な水和酸化チタン（α-チタン酸）を得ることができる。α-チタン酸の反応活性はβ-チタン酸よりも高く、希酸や濃アルカリにも溶解する。濃水酸化ナトリウム水溶液に溶解した後、Na2TiO3 - H2Oの式を持つ水和チタン酸塩を溶液から分離することができる。
ガス状の四塩化チタンは、二酸化チタンと炭素粉末をグループに押し込み、コークス化し、1070～1170kに加熱することで調製できる。

• TiO2+2Cl2+2C=TiCl4↑+2CO↑

この反応はチタンの抽出に非常に重要である。マグネシウムやナトリウムは四塩化チタンを容易に還元することができる。
二酸化チタンはまた、CoCl2（ホスゲン）、SOCl2（ジクロロスルホキシド）、CHCl3（トリクロロメタン）、CCl4（四塩化炭素）などの塩素化試薬と二酸化チタンの反応によって四塩化チタンを製造するために使用することができる。

• TiO2 + CCl4 = TiCl4 ↑ + 2co2 ↑ (反応は770kで完了)

表面特性

表面超親水性

その結果、TiO2表面の超親水性は表面構造の変化に起因することがわかった。紫外線照射により、TiO2の価電子帯電子が伝導帯に励起され、電子と正孔がTiO2表面に移動し、表面に電子正孔対が生成し、電子はTiと反応し、正孔は表面の架橋酸素イオンと反応し、それぞれ正の3価のチタンイオンと酸素正孔を形成する。この時、空気中の加水分解解離は酸素空孔に吸着され、化学吸着水（表面水酸基）となる。化学吸着水はさらに空気中の水分を吸着し、物理吸着層を形成することができる。

表面ヒドロキシル

他の半金属材料と比較して、TiO2のTi-O結合の極性は大きく、表面に吸着した水は分極により解離し、水酸基を形成しやすい。表面の水酸基は、TiO2の吸着剤や各種モノマーとしての性能を向上させ、表面改質の利便性を提供することができる。

表面の酸性度と塩基性度

TiO2を改質する場合、Al、Si、Znなどの酸化物を添加することが多い。AlやSiの酸化物が単独で存在する場合、明らかな酸塩基特性はない。しかし、TiO2とTiO2が結合すると、強い酸塩基性を示し、固体超酸の調製に使用できる。

表面電気

液体（特に極性）媒体中のTiO2粒子は、表面電荷によって吸着された反対の電荷のために拡散二重電気層を形成し、粒子の有効直径を増大させる。粒子同士が近接すると、同じ電荷のために反発し合い、分散系の安定性に寄与する。例えば、Al2O3でコーティングされたTiO2の表面は正の電荷を持ち、SiO2で処理されたTiO2は負の電荷を持つ。

準備方法

気相酸化

乾燥酸素を用いた923k～1023kでの気相酸化：

• TiCl4+O2=TiO2+2Cl2

硫酸法

まず、粉砕したイルメナイトと硫酸（濃度≥80%、温度343k～353k）を連続空気攪拌下で反応させ、可溶性硫酸塩を調製した。

• FeTiO3+H2SO4=TiOSO4+FeSO4+2H2O

反応は発熱性なので、反応が激しくなると温度は473kに達する。
酸化チタンを調製する場合、重要なステップはチタン液体を加水分解することである：

• TiOSO4+2H2O=TiO2·H2O↓+H2SO4

チタン溶液の濃度と酸性度の温度は加水分解反応に影響する。濃度が低いほど酸性度は低く、温度が高いほど反応は起こりやすくなる。温度を高くするために、反応はしばしば加圧下で行われ、沈殿した粒子をより近くにすることもでき、製品はより良い物理的性質を持つ。

二酸化チタン中のチタン含有量の測定

決定プロセスでは、まずアルミニウムがチタン液に添加され、Ti（IV）がTi3 +に還元される。Ti3 +の還元力はSN2 +の還元力よりも強く、Fe3 +を還元することができます。そのため、KSCN を指示薬として用い、Ti3 + を標準 Fe3 +溶液で滴定する。滴定中、Fe3 +イオンがわずかに過剰になると、血赤色[fescn] 2 +が生成し、滴定終点に達する。
TiO2顔料は、硫酸または塩素を用いて原料から抽出される。塩素プロセスはより高度な技術であり、一般的に硫酸プロセスよりも低コスト構造であるとみなされている。塩素プロセスは、より純粋な原料を使用するため原料鉱石コストが高いが、硫酸プロセスは労働コスト、廃棄物コスト、環境責任コストが高い。塩化物プロセスは一般に、塗料やプラスチックの主な最終用途に好まれ、世界の生産能力の約3分の2が塩化物を使用している。

この2つのプロセスの全体的な化学反応は、次のように表すことができる：

酸化チタン製造のための2つのプロセスの比較。

酸化チタン産業

世界の二酸化チタン産業はアジア太平洋地域に引き寄せられている。供給面では、中国の二酸化チタン生産能力はアメリカのそれを上回り、200万トン以上に達し、中国は世界最大の二酸化チタン生産国となった。2011年、中国の二酸化チタン生産量は前年比23.10%増加し、181.2万トンとなった。デュポン社による35万トンの新規生産能力を除けば、二酸化チタンの生産能力の増加は今後主に中国からもたらされると予想される。
業界は1990年代から過剰生産能力に悩まされてきた。酸化チタンの実質価格は1990年から2009年の間に50%近くまで下落した。高い固定費構造のため、生産能力過剰の時期には、生産者は過剰生産能力を使い切ろうと必死になって価格を引き下げた。
過去20年間、酸化チタン製造業者にとって採算が取れていたのはせいぜいわずかで、工場はしばしば損益分岐点で稼動していた。しかし、過剰な生産能力は続いており、その一因は、TiO2プラントの廃炉に伴う大きな環境負債にある。
TiO2需要は2008年から2009年にかけて、世界全体で8%、欧米市場で16%減少した。いくつかのメーカーは、世界の生産能力の7%を占める高コストのプラントを恒久的に閉鎖することでこれに対応した。さらに、需要の低迷により、多くの生産者が工場を一時的に休止した。こうした操業停止は、世界的な景気回復に伴う在庫補充による需要増と相まって、2009年後半からの供給逼迫と価格の急上昇につながった。その後も一貫して価格は上昇しており、2011年第3四半期と第4四半期の値上げがすでに主要生産者から発表されている。業界内で統一された価格指数は存在しないが、業界データと公開企業の報告書によれば、過去1年間で約40%の値上がりを記録している。
供給面での大きな問題は中国である。Ti Insight社によると、中国には現在60～80の酸化チタン工場があり、その生産能力は約100万トンで、そのほとんどが硫酸塩の生産能力である。中国の生産者は、いくつかの大幅な能力拡張を発表しているが、これらのプラントが実際に建設されるかどうか、ましてや、実際に公表された能力で稼働するかどうかについては疑問がある。(デュポンは2005年以来、中国のプラント・プロジェクトを初期の計画段階で立ち往生させている）。Ti Insightは、中国は2015年までに77万トンの生産能力を追加すると予測している。業界のコンサルタントとTiO2バイヤーの双方によって確認されたコンセンサスは、中国の生産は一般的に低価格帯の市場にのみ適しているとみなされており、現時点では欧米の生産者にとって実質的な脅威ではないということである。硫酸塩プロセスは塩化物よりも低品質のベース顔料を生産する。硫酸塩法TiO2は塩化物に匹敵する品質に仕上げることができるが、仕上げ工程は各生産者独自のものであり、中国はその分野で欧米の基準に達していない。塩素技術を保有しているのは上位5社のみであり、中国メーカーがそれを再現しようとしても困難が予想される。また、中国の生産能力拡大が予想されるとしても、2015年までの総供給量のCAGRは3%に過ぎない。これではおそらく、需要の伸びに追いつくのがやっとだろう。

応用分野

産業用アプリケーション

二酸化チタンは重要な白色顔料および磁器釉薬である。塗料、インク、プラスチック、ゴム、紙、化学繊維、水彩顔料などの産業で使用される。
二酸化チタンは世界で最も白いものだ。二酸化チタン1グラムで450平方センチメートル以上の面積を白く塗ることができる。一般的な白色顔料であるリトポンの5倍も白いので、白色絵具の調製には最適の顔料である。世界で顔料として使用される二酸化チタンは、年間数十万トンにのぼる。二酸化チタンを紙に添加すると、紙を白く不透明にすることができ、その効果は他の物質の10倍にもなる。そのため、紙幣用紙やアート紙には二酸化チタンを添加する必要がある。
プラスチックの色を薄くし、レーヨンの光沢を和らげるために、二酸化チタンを添加することがある。
ゴム産業では、二酸化チタンは白ゴムの充填剤としても使用される。
半導体酸化チタンの光化学特性は、空気、水、流体の浄化など多くの分野での利用を可能にした。炭素や他のヘテロ原子をドープした光触媒は、密閉された空間や散乱光源のある領域でも使用できる。建物、歩行者用スラブ、コンクリート壁、屋根瓦などのコーティングに使用すれば、窒素酸化物、芳香族、アルデヒドなどの大気汚染物質の分解を大幅に促進することができる。
さらに、日焼け止めの製造に広く使用され、無毒で、人体に無害である。

超微粒子酸化チタンは優れた紫外線遮蔽性と透明性を持つ。化粧品、木材保護、食品包装プラスチック、耐久性家庭用フィルム、人工繊維、天然繊維、透明コーティングに広く使用されています。メタリックフラッシュコーティングの特殊な光学効果により、注目され、高級車の塗装に応用されている。

食品への応用

米国食品医薬品局は、二酸化チタンをすべての食品白色成分として使用することができ、最大使用量は1g / kg秒であると規定している。73.575の二酸化チタンである。顔料添加物である二酸化チタンは、一般的な着色食品に安全に使用することができ、以下の規制を遵守しなければならない：

• (1) 酸化チタンの量は、食品の重量の1%を超えてはならない。
• (2) 政令第401条で公表されている特別な基準によれば、顔料の添加を認める同様の基準がない限り、使用できない着色食品は使用してはならない。
• (3) 食品を着色する場合、食品用顔料添加物である二酸化チタンは、安全な顔料添加物として適切な希釈剤を含むことができる。

適応製品：保存フルーツ、ゼリー、揚げ物、ココア製品、チョコレート、チョコレート製品、ハードキャンディー、艶出しキャンディー、ガムベースのキャンディー、膨化食品、菓子、チョコレート製品、コーティング、マヨネーズ、ドレッシング、ジャム、固形飲料、こんにゃくゲル食品など。

環境保護

空気の浄化

二酸化チタンは、光触媒顔料の触媒として、一種の環境安全クリーナーであるだけでなく、エネルギーを節約し、環境資源を保護することができます。
日本とイギリスの初期の科学者たちは、空気をきれいにするために、都市部の道路の舗装材の表面に二酸化チタンを塗った。二酸化チタンをアスファルトに混ぜることで、空気中の汚染物質を減らすことができる。車が通り過ぎるとき、二酸化チタンを含むコンクリートやアスファルトは空気を浄化し、車の排気ガスに含まれる窒素酸化物を25%から45%除去することができる。コンクリート表面に酸化チタンをコーティングした場合、空気を浄化する効果も大きい。

写真は電子顕微鏡下の二酸化チタン

地球の冷却

2012年5月、英国の科学者たちは、成層圏に十分な量の二酸化チタンを散布して太陽の光を反射させれば、地球を冷やすことができるという大胆なアイデアを発表した。
二酸化チタンは直射日光を効果的に反射することができ、その特性は安定しているため、成層圏への散布など長期的な役割を果たすことができる優れた被覆能力を持っている。イギリスの科学者たちは、この化学物質を高高度気球で成層圏に運び、放出することを提案している。二酸化チタンが成層圏に均一に分布すれば、太陽の光を効果的に反射し、地球を冷却することができる。
化学エンジニアであり、イギリスのコンサルティング会社デビッドソン・テクノロジーの社長であるピーター・デビッドソンがこのプロジェクトを担当している。彼によれば、成層圏に輸送するのに必要な二酸化チタンはわずか300万トンで、成層圏に厚さ1ミリの保護層を形成することができ、これは大きな役割を果たすことができる--現在の大気中の二酸化炭素含有量の2倍の温室効果を相殺するのに十分な量である。

日焼け止め化粧品

紫外線は人体に大きな害を与えるため、先進国は近年、日焼け止め化粧品の研究開発に力を入れ、紫外線防止繊維、プラスチック、フィルム、コーティング、日焼け止めクリーム、ファンデーション、口紅、ムース、クリームなど、さまざまな日焼け止め化粧品を発売している。近年、中国も日焼け止め化粧品の研究と生産を増やしている。

しかし、かつての日焼け止めのほとんどは、ベンゾフェノン、o-アミノベンゾフェノン、サリチル酸、p-アミノ安息香酸、桂皮酸などの有機化合物であったため、不安定で寿命が短く、副作用が大きく、一定の毒性や刺激性があった。添加しすぎると化学アレルギーを引き起こし、皮膚がんになることさえあった。無機成分であるナノ二酸化チタンは、化学的安定性、熱安定性、非移行性、強い無彩色性と被覆力、低い腐食性、良好な分散性、無毒性、無味、無刺激性、安全な使用、さらに殺菌と消臭の機能も持っています。さらに、前述したように、ナノ二酸化チタンは紫外線を吸収するだけでなく、紫外線を放出、散乱させることができるので、強い紫外線防止能力があります。また、ナノ二酸化チタンは、有機系紫外線防止剤が中波長域の紫外線しかカットできないのに対して、中波長域の紫外線もカットすることができます。特に、粒子が細かく、完成品の透明度が高いため、可視光線を透過することができ、化粧品に配合しても肌の白さが自然である。これは、いくつかの有機または顔料グレードの二酸化チタンが不透明であるため、肌が不自然に青白くなるという欠点を克服しています。このため、ナノ二酸化チタンは広く評価され、徐々にいくつかの有機紫外線防止剤に取って代わられ、今日の日焼け止め化粧品で優れた性能を持つ物理的遮蔽紫外線防止剤となっている。
人々の生活水準が向上し、国際競争が激化するにつれ、安全で効率的な日焼け止め化粧品の研究開発が徐々に増加している。現在、先進国の日焼け止め化粧品市場は強い活力を見せている。1999年から2000年にかけて、アメリカの年間販売額は7億3700万ドル、7億6500万ドルに達し、イギリスの年間販売額は2億4500万ドル、2億7000万ドルに達した。近年、アメリカの年間販売量はそれぞれ20%と10%増加し、ナノ酸化チタンの消費量も年々大幅に増加しています。日本におけるナノ二酸化チタンのUVカット化粧品への年間需要は1000トン以上であり、繊維、プラスチック、ゴム製品への消費はもっと多い。
日焼け止め化粧品の開発動向から、ひとつはオーガニック日焼け止めの代わりに無機日焼け止めであり、もうひとつはバイオニック日焼け止めである。後者は高価で普及が難しい。前者は価格も手ごろで、日焼け止め効果も優れているため、一般的に受け入れられている。特にナノ二酸化チタンはその優れた性能と応用見込みから、発展の勢いがあり、市場の潜在力もある。
ソース: 中国チタン管継手メーカーwww.titaniuminfogroup.com

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