تیتانیوم دی اکسید، نحوه تولید و خواص مهم آن

09 خرداد 1403 ساعت 19:12

تیتانیوم دی اکسید یکی از سفید ترین پیگمنت‌های شناخته شده توسط بشر است که در حدود 100 سال اخیر به شکل گسترده ای به عنوان پیگمنت سفید در صنایع مختلف از جمله رنگ، پلیمر و آرایشی مورد استفاده قرار گرفته است. سالانه در حدود 10 میلیون تن از این پیگمنت سفید در جهان تولید شده که گردش مالی 14 میلیارد دلاری را به خود اختصاص داده است. در این مقاله به بررسی انواع تیتانیوم دی اکسید، نکات فنی و روش‌هایی جهت بهینه سازی مصرف این ماده پرداخته شده است. 

 

 

شما می‌توانید انواع پیگمنت و دآی پلاستیک را از پلینو تهیه کنید. ( برای مشاهده محصولات کلیک کنید.)

پیگمنت و دآی پلاستیک

 

 

 

تاریخچه رنگ سفید و تیتانیوم دی اکسید

اولین پیگمنت سفید مورد استفاده در تاریخ هنر و صتعت بشر اکسید سرب سفید می‌باشد. این ماده که دارای فرمول شیمیایی 2PbCO3·Pb(OH)2   می‌باشد، به طور گسترده ای در نقاشی‌ها، محصولات آرایشی، رنگ کردن در و پنجره و ... کاربرد داشته است. این ماده از زمان مصر باستان تا قرن هجدهم به طور گسترد ای مورد استفاده قرار داشت تا زمانی که در اواخر قرن هجدهم تیتانیم دی اکسید توسط William Gregor کشف گردید. این شیمیدان دریافت که حدود 50 درصد از نوعی شن سیاه رنگ، شامل اکسید فلزی سفید رنگ می‌باشد که مشابه سایر اکسیدها سفید رنگی که تا به آن روز کشف شده بوده از جمله اکسید روی و اکسید سرب نبود. حدود 20 سال بعد و در سال 1923 روش تجاری برای تولید تیتانیم دی اکسید خالص از سنگ معدن آن ارائه شد و اولین تیتان تجاری از نوع تیتان آناتاز وارد بازار گشت. در سال 1940 نوعی دیگری از تیتان از نوع تیتانیم دی اکسید روتایل نیز به صورت تجاری وارد بازار گشت. از آن زمان تا به حال به علت خواص ایده آل پیگمنت تیتان از نظر میزان سفیدی، خواص آنتی یو وی و همچنین بهداشتی بودن، تولید این ماده سال به سال از گسترش بیشتری برخوردار شده و امروزه حجم بازاری در حدود 14  میلیارد دلار را به خود اختصاص داده است. برای آشنایی بیشتر با انواع پیگمنت سفید، مقاله پیگمنت سفید در پلینو را مطالعه کنید...

 

انواع تیتانیوم دی اکسید

تیتان دی اکسید یک ماده معدنی با فرمول شیمیایی TiO2  است که در حدود 10 نوع ساختار کریستالی برای آن شناخته شده است. اما در طبیعت کریستال‌های تیتانیوم دی‌اکسید اغلب به صورت روتایل ، آناتاز و مقادیر کمی بصورت بروکایت می‌باشد. تیتان دی اکسید ماده ای سنگین است و چگالی آن در محدوده 4g/cm3  قرار دارد.( نوع روتایل از آناتاز چگالی بیشتری دارد.) این ماده دارای ضریب شکست بالا (refractive index) و در محدوده 2.4 تا 2.6 می‌باشد.( ضریب شکست تیتان روتایل از آنتاس بالاتر است.) سنگ معدن تیتانیم دی اکسید در طبیعت به صورت‌های مختلف از جمله روتایل و ایلمنیت( FeTiO3 ). ایلمنیت فروان ترین سنگ معدن تیتان سنگی سیاه رنگ است و به همین علت است که با وجود خواص عالی و کاربردی تیتان، این ماده خیلی دیر کشف شده است. اکسید تیتانیم دی اکسید مانند هر ماده معدنی دیگری در ساختار کریستال بخصوصی قرار می‌گیرد. ساختار کریستالی چهارگوشه تیتانیم دی اکسید به دو صورت روتایل و آناتاز و همچنین ساختار ارتورومبیک (orthorhombic) با نام بروکیت در طبیعت یافت شده است. دو نوع روتایل و آنتاز از فراوانی بیشتری برخوردار بوده و از نظر صنعتی نیز کاربرد بیشتری دارند. همچنین ساختارها کریستالی دیگری نیز برای تیتان دی اکسید کشف شده که عمدتا در آزمایشگاه سنتز شده اند. ظاهر انواع کریستال زیبای تیتانیوم در شکل زیر آورده شده است.

 

انواع کریستالی تیتان

برخی کریستال‌های تیتانیوم به حدی زیبا هستند که در جواهر سازی استفاده می‌شوند.

 

 

تیتان دی اکسید روتایل

تیتان دی اکسید روتایل ساختار پایدار تری از آنتاس است. این ماده در دمای بالاتری تولید شده و از ضریب شکست بالاتری برخودار بوده و در نتیجه سفید تر است. چگالی تیتان روتایل بیشتر بوده و همچنین از نظر قیمتی گران تر از نوع آنتاس است. تیتان روتایل برای تولید قطعاتی که در خارج از ساختمان استفاده می‌شوند کاربرد دارد. این ماده توانایی آنتی uv  بالا تری نسبت به آنتاس دارد.

 

تیتان دی اکسید آنتاس

تیتان آنتاس شکل کم تر پایداری از تیتانیم دی اکسید است. این نوع ساختار کریستالی در دمای بسیار بالا ( در حدود 800 درجه سانتی گراد) به نوع روتایل تبدیل می‌شود. تیتان آنتاس ارزان تر از روتایل بوده و چگالی آن نیز کمتر است. ضریب شکست تیتان آناتاس از روتایل کمتر است و برای کاربردهای داخل ساختمان استفاده می‌شود. تفاوت ساختار کریستالی تیتان آناتاز و روتایل در شکل زیر آورده شده است.

 

کریستال تیان و آناتاز تیتانیوم

 

انواع گریدهای تجاری تیتانیوم دی اکسید روتایل و آناتاز در جدول زیر آورده شده که از می‌توانید از پلینو تهیه نمایید.

گرید تیتانیوم دی اکسید روتایل

گرید تیتانیوم دی اکسید آنتاز

2220

A1

2190

KA100

R219

 

R105

 

R5566

 

R996

 

SR236

 

R900

 

 

 

 

روش‌های تهیه تیتانیوم دی‌اکسید

تیتان دی اکسید سنتزی را می‌‌توان از سنگ معدن ایلمنیت(FeTiO3)، روتایل و یا آنتاس تهیه کرد. از نظر صنعتی عمدتا تیتان از سنگ معدن ایلمنیت و یا روتایل با استفاده از دو روش سولفات و کلید تولید می‌شود. سنگ معدن تیتان عمدتا شامل ناخالصی مختلف از جمله منیزیم و منگز است که طی چند مرحله واکنش خالص سازی شده و تبدیل به کریستال تیتانیم دی اکسید  از نوع آناتاز و روتایل می‌شود.

 

تولید تیتان دی اکسید با روش سولفات

در این روش سنگ معدن تیتانیم دی اکسید با اسید سولفوریک واکنش داده و تبدیل به TiOSO4 می‌شود. سپس این ماده در طی چند مرحله واکنش ابتدا به  هیدروکسید تیتانیم و سپس به تیتانیم دی اکسید خالص تبدیل می‌شود. بسته به مسیر واکنش هر دو نوع تیتان آناتاز و روتایل با این روش قابل تولید می‌باشند.

 

تولید تیتانیم دی اکسید با روش کلرید

در این روش با استفاده از گاز کلر سنگ معدن تیتانیم دی اکسید به TiCl4 تبدیل شده و طی چند مرحله اکسید شده و تبدیل به تیتانیم دی اکسید می‌شود. در این روش تنها تیتانیم دی اکسید نوع روتایل تولید می‌شود.

 

پراکندگی نوری تیتانیوم دی اکسید 

پراکندگی نوری در این پیگمنت بالا بوده و سبب شده به یک پیگمنت سفید متمایز در بین تمام پیگمنت‌های سفید تبدیل شود.مفهوم پراکندگی نوری یا Light scattering در شکل زیر به صورت ساده نمایش داده شده است. همانطور که مشاهده می‌شود، جسمی که ضریب شکست بالایی دارد نور را پراکنده کرده و سفید تر به نظر میرسد.پدیده پراکندگی نوری در صورتی که جسم نور مرئی را جذب نکند، سبب سفیدی شده و همچنین میزان پوشانندگی را نیز افزایش می‌دهد. به همین دلیل تیتان دی اکسید به عنوان یک ماده مات کننده نیز در نظر گرفته می‌شود.

عملکرد تیتانیوم دی اکسید

به طور مثال در جدول زیر ضریب شکست انواع پلیمرهای پر کاربرد نشان داده شده است. به طور کلی دو عامل ساختار کریستالی و همچنین اندازه ذرات ماده بر بروی میزان پراکندگی نوری اثر دارند زمانی که اندازه ذرات در محدوه 280 نانومتر قرار گرفته باشند بیشترین میزان پراکندگی نوری رخ می‌دهد.

ضریب شکست

نوع پلیمر

1.60

پلی استایرن

1.59

پلی کربنات

1.56

SAN

1.50–1.54

پلی اتیلن

1.49

آکریلیک

1.48

پی وی سی

 

خواص ضد uv  در تیتانیوم دی اکسید

تیتانیوم دی اکسید در اندازه ذرات 280 نانومتر دارای خواص پراکنده کننده نوری است، در حالی در اندازه ذرات 10 نانومتر خواص پراکنده کنندگی کمی داشته و بیشتر خواص جذب کننده uv  دارد. این موضوع سبب شده تا پیگمنت تیتانیوم دی اکسید با اندازه ذرات نانو در محصولات آرایشی از جمله کرم ضد آفتاب کاربرد داشته باشد.

 

بهینه سازی مصرف تیتانیوم دی اکسید

پیگمنت تیتانیوم دی اکسید با توجه به دوز مصرف بالا در اکثر فرمولاسیون‌ها اثر قابل توجهی در فرمولاسیون دارد از طرفی تیتانیوم دی اکسید ماده ای سنگین بوده (چگالی ρ ≈ 4 gr/cm3لذا بر روی قیمت حجمی تمام شده نیز اثر زیادی دارد.  در نتیجه استفاده بهینه از این ماده و داشتن اطلاعات کافی درباره آن از اهمیت بالایی برخوردار است. تحقیقات انجام شده و تجربه صنعتی نشان داده که بهبود پراکندگی تیتانیوم دی اکسید اثر قابل توجهی در کاهش قیمت نهایی محصول و همچنین افزایش کیفیت دارد.

 

توزیع بهتر ذرات

استفاده از تجهیزات اختلاط خوب در مرحله میکس و آمیزه سازی به پخش بهتر ذرات تیتانیوم دی اکسید کمک کرده که خود سبب بهبود پراکندگی نوری می‌شوند.

 

استفاده از فیلر مناسب

ذرات فیلر ریز تر به بهبود پراکندگی ذرات تیتانیوم کمک کرده که خود درافزایش پراکندگی نوری پیگمنت تاثیر گذار است.

بهینه سازی مصرف تیتانیوم دی اکسید

اصلاح تیتانیوم دی اکسید

 

استفاده از برخی اصلاح کننده‌های معدنی از جمله  آلومینا (Al2O3)، سیلیس (SiO2) و زیرکونیا (ZrO2) سبب بهبود مقاومت ذرات تیتانیوم دی اکسید در برابر تخریب نوری می‌شوند. همچنین پوشش برخی مواد آلی از جمله الکل‌ها و اسید چرب سبب بهبود پراکندگی این ماده در ماتریس مورد نظر می‌شود

 

 

 

 

ثبت نظر


( نظر خود را درباره این مقاله ثبت نمایید )

هفت روز هفته، 24 ساعت شبانه روز پاسخگوی شما هستیم.
© 2024 polyno All Right Reserved