تیتانیوم دی اکسید یکی از سفید ترین مواد 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. همچنین در انتهای مقاله برخی رنگ‌های سفید ترکیبی و اجزاء تشکیل دهنده آن معرفی شده است.

آنچه در این مقاله می‌خوانید:

تاریخچه رنگ سفید و تیتانیوم دی اکسید

انواع تیتانیوم دی اکسید

روش تولید تیتانیوم دی اکسید

پراکندگی نوری در تیتانیوم دی اکسید

خواص آنتی یو وی تیتانیوم دی اکسید

بهینه سازی تیتانیوم دی اکسید

 

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.

 

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.

 

 

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.

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/cm³⁾  لذا 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.

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

 

 

 

انواع رنگ ترکیبی سفید با استفاده از تیتانیم دی اکسید

شید رنگ سفید دارای انواع مختلف می‌باشد. سفید فیلی، استخوانی، کاپوچینو، یخچالی، صدفی، برفی انواع مختلفی از رنگ سفید هستند.

 

سفید یخچالی

برای تهیه این رنگ از ترکیب پیگمنت سفید با رنگدانه آبی و بنفش استفاده می‌شود. نکته فنی در ایجاد رنگ یخچالی استفاده هم زمان پیگمنت آبی و پیگمنت بنفش است. پیگمنت آبی می‌تواند از نوع الترامارین و فتالوسیانین استفاده کرد.

 

سفید برفی

سفید برفی نوعی سفید با میزان درخشندگی بالا است. این سفید با استفاده از تیتان دی اکسید و براق کننده به دست آمید.

 

سفید صدفی

نکته: پیگمنت صدفی یا pearl  با تیتان دی اکسید سازگاری نیست. توصیه می‌شود برای ایجاد رنگ صدفی، این پیگمنت به صورت خالص استفاده شود.

 

سفید استخوانی

در این نوع سفید تیتان دی اکسید با رنگدانه زرد ( از نوع زرد اکسید آهن یا گلماشی) می‌تواند باشد. باید توجه داشت در این فرمولاسیون باید مقداری پیگمنت مشکی نیز استفاده شود.

 

سفید فیلی

برای تهیه این رنگ باید از تیتان دی اکسید و مقداری پیگمنت مشکی استفاده کرد.

 

نکته: برای تهیه رنگ‌های شفاف می‌توان از ترکیب الترامارین بنفش  و آبی در کنار هم استفاده نمود.

 

.

سولفید سرب یا پیگمنت سفید7

سولفید سرب با ضریب شکست 2.37 از جمله پیگمنت‌های سفید با میزان سختی پایین محسوب می‌شود. مقاومت نوری سولفید سرب خوب است اما مقاومت آب و هوایی آن برای کاربردهای خارج از ساختمان کافی نیست.سولفید روی پایداری شیمیایی پایینی داشته و در حضور رطوبت و گرما به سولفات روی تبدیل می‌شود. همچنین در حضور سرب سبب ایجاد سولفید سرب شده که ایجاد لکه سیاه می‌کند.این ماده نسبت به تیتانیم دی اکسید خواص نوری ضعیف تری داشته و بیشتر به سبب مقاومت سایش در صنعت رنگ مورد استفاده قرار می‌گیرد.

لیتوپون یا پیگمنت سفید 5

لیتوپون (Lithopone ) از هم رسوبی و کلسینه شدن سولفید روی و سولفات باریم حاصل می‌شود. بسته به درصد ترکیب از دو جزء انواع مختلفی از لیتوپون حاصل خواهد شد. رایج ترین ترکیب از این پیگمنت، ترکیب 60 درصد سولفید روی با 40 درصد باریم سولفات است.

سیلیکا یا پیگمنت سفید 27

سیلیکا ضریب شکست پایین دارد و به عنوان پیگمنت سفید در نظر گرفته نمی‌شود. سیلیکا یا سیلیکون دی اکسید به عنوان غلیظ کننده و  مات کننده در صنعت رنگ کاربرد دارد. سیلیکا بیشتر به عنوان پر کننده کاربرد دارد.

اکسید روی یا پیگمنت سفید4

اکسید روی به عنوان پیگمنت سفید در صنایع مختلفی از جمله تهیه رنگ کاربرد دارد. این پیگمنت با اسید واکنش داده و در محلول بازی حل می‌شود و در آب غیر محلول است. سنگ معدن روی ممکن است حاوی برخی عناصر دیگر از جلمه سرب، کادمیم، آلومینیوم و آهن باشد. در نتیجه پیگمنت اکسید روی در صورت استفاده در کاربردهای بهداشتی باید از خالص بودن آن اطمینان حاصل کرد.

 

 

 

 

ضریب شکست (Refractive Index)x	CAS No	کد رنگ(Colour Index Name)	فرمول شیمیایی	نام پیگمنت
1.94–2.09	1319-46-6	Pigment White 1	Pb(OH)2·2PBCO3	سرب سفید
1.93	7447-14-2	Pigment White 3	PbSO4	سولفات سرب پایه
2.02	1314-13-2	Pigment White 4	ZnO	اکسید روی
1.84	1345-05-7	Pigment White 5	ZnS/BaSO4	لیتوپون
2.55	13463-67-7	Pigment White 6	TiO2	دی‌اکسید تیتانیوم، آناتاز
2.76	13463-67-7	Pigment White 6	TiO2	دی‌اکسید تیتانیوم روتیل
2.37	1314-98-3	Pigment White 7	ZnS	سولفید روی
2.1	1314-96-1	Pigment White 8	SrS	سولفید استرانسیم
1.67	513-77-9	Pigment White 10	BaCO3	کربنات باریم
2.09–2.29	1309-64-4	Pigment White 11	Sb2O3	اکسید آنتیموان
2.4	1314-23-4	Pigment White 12	ZrO2	اکسید زیرکونیوم
2.17	13595-87-4	Pigment White 13	Bi2(WO4)3	تنگستات بیسموت Bismuth tungstate
2.15	7787-59-9	Pigment White 14	BiOCl	بیسموت اکسی کلرید Bismuth oxychloride
2	18282-10-5	Pigment White 15	SnO2	اکسید قلع
-	1304-85-4	Pigment White 17	Bi5O(OH)9(NO3)4	زیر نیترات بیسموت
1.58	471-34-1	Pigment White 18	CaCO3	کربنات کلسیم (گچ)
1.68	16389-88-1	Pigment White 18:1	[Ca,Mg][CO2]2	کربنات کلسیم منیزیم (دولومیت)
1.55	1332-58-7	Pigment White 19	Al2Si2H4O9	سیلیکات آلومینیوم (کائولن)
na=1.560, nb=1.594, nc=1.598	12001-26-2	Pigment White 20	KAl2(Si3Al)O10(OH,F)2	میکا (مسکوویت)
1.64	7727-43-7	Pigment White 21	BaSO4	سولفات باریم (بلان فیکس)
1.64	13462-86-7	Pigment White 22	BaSO4	باریت (باریت)
1.64	-	Pigment White 23	AlO2 BaSO4	فیکس آلومینا بلان (بلانکوپون)
1.57	21645-51-2	Pigment White 24	AlO2	هیدروکسید آلومینیوم
1.59	7778-18-9	Pigment White 25	CaSO4·2H2O	سولفات کلسیم (گچ)
1.50–1.60	14807-96-6	Pigment White 26	Mg2[Si4O10][OH]2	تالک
1.55	7631-86-9	Pigment White 27	SiO2	سیلیکا (کوارتز)
1.65	10101-39-0	Pigment White 28	CaO3Si	متاسیلیکات کلسیم  (ولاستونیت)
1.65	7733-02-0	Pigment White 32	ZnSO4	سولفات روی (مس سفید)
2.7	12060-00-3	Pigment White 47	PbTiO3	تیتانات سرب