تیتان (دی اکسید تیتانیوم) چیست؟

ماده حجیم Tio2 در سه نوع کلی روتایل، آناتاز و بروکیت وجود دارد. در میان آن‌ها، Tio2 بیشتر به صورت فازهای روتایل و آناتاز یافت می‌شود که هر دوی آن‌ها ساختارهای تتراگونال دارند رنگدانه تیتان از قدیمی‌ترین رنگدانه‌های پوششی محسوب می‌شود، ایلمنت در حقیقت تیتانات آهن دو ظریفتی است که بسیاری از نقاط دنیا از جمله هندوستان و نروژ، آمریکا، کاناداو سوئد یافت می‌شود.

نوع روتیل آن در حقیقت تیتانیوم دی اکسید طبیعی است که برای جداسازی آن از سایر مواد از روش کلراید استفاده می‌کنند و ماده اولیه مناسبی برای این روش است.

پیگمنت‌های دی اکسید تیتانیم (Tio2) عامل ایجاد پشت پوشی و رنگ سفید در فیلم پوشش هستند و برگستره وسیعی از دیگران خصوصیات فیلم تأثیر می‌گذارند.

معرفی و توسعه دی اکسید تیتانیم درسراسر قرن بیستم امکان تولید پوشش‌هایی مطمئن و با کیفیت بالا را برای استفاده بر سطوح داخلی و خارجی فراهم آورده است.

هرچند فرآیندهای تولید صنعتی دی اکسید تیتانیم نسبتا گران بوده و لذا این پیگمنت اغلب گران‌ترین ماده خام مورد استفاده در رنگ‌های امولسیونی است.

طی سالیان متمادی فناوری‌های متعددی به منظور استفاده بهینه از دی اکسید تیتانیم و کاهش مقدار مصرف آن‌ها، با حفظ خصوصیات کاربردی پوشش معرفی شده و توسعه یافته‌اند.

در مدتی بیش از 30 سال سازندگان پرکننده‌ها، تولیدات خود را گسترش و استفاده از این مواد را به عنوان روشی در صرفه جویی در مصرف دی اکسید تیتانیم معرفی نموده‌اند.

یک پیگمنت در حقیقت یک پودر جامد غیرقابل حل در یک بایندر (رزین) می باشد که میتوان آن‌را در همان بایندر به سهولت پخش نمود و پیگمان‌های سفید، مواد غیرآلی (معدنی) فلزات سرب، روی و تیتانیم می‌باشند و وقتی کاملا ًسفید به نظر خواهند رسید که تمامی طول موج‌های قابل دید تابش برخود را منعکس نمایند.

پیگمان دی اکسید تیتانیم سفیدترین پیگمان سفید بوده که به علت قدرت پوشش بیشتر و قیمت کمتر از دیگر سایر پیگمان‌های سفید مصرف بیشتری در ساخت رنگ دارد و یا به جرأت می‌توان گفت که امروزه از دی اکسید تیتان به عنوان تنها پیگمان سفید استفاده می‌نمایند زیرا که علاوه بر خواص فوق خواص کلی دیگر پیگمان‌های سفید را نیز در بر دارد.

مثلاً نوع روتایل آن بیشتر از اکسید روی خاصیت کنترل گچ یا خاک شوندگی فیلم حاصل بر سطوح بیرونی را دارد. نوع روتایل 20 الی 30 درصد قدرت پوشش بیشتری از نوع آناتاز دارد.

نوع آناتاز با اینکه سفید تر از نوع روتایل است اما جهت ساخت مصارف بیرونی به علت میل گچ شوندگی توصیه نمی‌گردد.

رنگدانه دی اکسید تیتان فوق العاده غیرفعال بوده و به علاوه غیر محلول در اسیدهای رقیق آلی و معدنی، بازها، آب و حلال‌های آلی می‌باشد ولی در اسیدهای سولفوریک و فلوئدریک گرم و غلیظ حل می‌شود، این ماده سمی نبوده و در برابر حرارت مقاومت خوبی داشته و خنثی نیز می‌باشد.

به علاوه در اثر برخورد با گاز ئیدروژن سولفوره و دیگر گازها ئیکه در جو می‌باشند بی‌رنگ نمی‌شود، از موارد مصرف تیتان صنایع رنگ‌سازی، کاغذسازی، پلاستیک، لاستیک، سرامیک، مرکب و غیره را می‌توان نام برد. ضرایب شکست (R.I) تیتان آناتاز و روتایل عبارتند از:

 آناتاز ، متبلور ، R.I= 2.55
روتایل، متبلور ، R.I= 2.71

اتم‌های تیتان در حالت روتایل بسیار توهم‌تر (چگالتر) از نوع آناتاز می‌باشند بنابراین فرم یا حالت روتایل بسیار ثابت‌تر بوده و در نتیجه چنین آرایش مولکولی فرم آناتاز به رنگ سفید مایل به آبی و نوع روتایل به رنگ سفید مایل به زرد می‌باشد.

رنگدانه‌های سفید به جز تیتان از قدیمی‌ترین رنگدانه‌های پوششی محسوب می‌شوند که امروزه مصرف تعدادی از آنان تقریباً به صفر رسیده زیرا نوع جدیدتر و بهتری جایگزین آنها شده است که به دی اکسید تیتان معروف است.

رنگدانه‌های سفید سربی عبارتند از کربنات، سولفات و سیلیکات بازی سرب و از دیگر رنگدانه‌های سفید می‌توان اکسید روی، اکسید روی سرب دار، اکسید آنتی مونی، لیتوپون و دی اکسید تیتانیم را نام برد.

تفاوت‌های اساسی درخواص فیزیکی و شیمیایی آنان وجود دارد که یک فرمولیست می‌بایستی با آن تفاوت‌ها آشنایی کامل داشته تا قادر به ارائه یک فرمول مناسب باشد.

از عمده تفاوت‌های فیزیکی می‌توان ضریب شکست، پوشش، اندازه ذرات، قدرت جذب روغن، وزن مخصوص ظاهری، فام، و غیره را نام برد.

از میان رنگدانه‌های سفید فقط کربنات بازی سرب و اکسید روی هستند که خصلت واکنش پذیری با اسیدهای موجود در بعضی از رزین‌ها را دارند و بقیه رنگدانه‌های سفید بی‌اثرند.

نتیجه واکنش این رنگدانه‌ها با اسیدهای چرب آزاد موجود در بعضی از رزینها، صابون و یا نمک روی و سرب خواهد بود که اثرات جانبی منفی از قبیل طولانی‌تر شدن زمان آسیاب، ایجاد ته نشینی، افزایش ویسکوزیته و کاهش عمر مفید فیلم یک رنگ از خود باقی می‌گذارند.

به غیر از اسیدهای آزاد در رزین‌ها، اسیدهای دیگری از قبیل فرمیک، استیک و پروپیونیک در محیط موجودند که در دراز مدت و در نتیجه مکانیزم اکسیداسیون این نوع رزین‌ها به وجود می‌آیند.

تولیدات حاصل از واکنش دو رنگدانه سفید واکنش پذیر فوق‌الذکر با اسیدهای تولیدی حاصل از مکانیزم اکسیداسیون نیز اثرات معکوسی بر بعضی از خواص فیلم از قبیل سختی، انعطاف پذیری، مقاومت در مقابل آب، براقیت و مقاومت خارجی یک فیلم می‌گذارند.

لذا در ساخت رنگ‌های مصرفی بر سطوح خارجی از ترکیب هر دو نوع پیگمان یعنی واکنش پذیر و واکنش ناپذیر جهت ایجاد خواص ماگزیمم استفاده می‌نمایند، زیرا که فیلم حاصل از تمامی پیگمان‌های سفید به غیر از اکسید روی مصرفی بر سطوح بیرونی، در دراز مدت حالت زردی یایلوئینگ به خود می‌گیرد که این تغییر حالت ناشی از ایجاد پراکسیدی است که بر اثر واکنش اکسیداسیونی بند دو گانه رزین های روغنی به وجود می‌آید. بنابراین استفاده از حدود 10 درصد اکسید روی همراه دیگر پیگمان‌های سفید، به علت جذب اشعه های نورانی نور خورشید، نه تنها زرد گرائی فیلم را به کلی از بین خواهد برد و یا حتی‌المقدور کاهش می‌دهد و بلکه همچنین از فاسد شدن فیلم نیز جلوگیری به عمل خواهد آورد.

اگر سطوحی که با رنگ محتوی رنگدانه سفید سربی رنگ آمیزی شده‌اند را در هوای آزاد آغشته به گاز ئیدروژن سولفوره قرار دهید، بر اثر تولید سولفید سرب (pbs) که سیاه‌رنگ هست سیاه می‌گردند و به عکس سطوح رنگ آمیزی شده با رنگ‌های محتوی درصد کمی اکسید روی در چنین هوایی سیاه نمی‌گردند زیرا سولفید روی (Zns) حاصل بر عکس سولفید سرب سفیدرنگ می‌باشد و بنابراین تأثیری بر رنگ نهائی فیلم نخواهد داشت.

از پیگمان‌های سربی به همراه اکسید روی در ساخت رنگ‌های مصرفی بر سطوح خارجی جهت افزایش چسبندگی، فلو و خاصیت برس‌خوری بهتر استفاده می‌شود و اما از آنجائی که سمی می‌باشند در ساخت رنگ‌های مصرفی بر سطوح داخلی استفاده نمی‌گردند.
 
روش تهیه تیتانیوم دی اکسید
 
روش سولفات

در این روش ایلمنیت به عنوان ماده خام به کار می‌رود، پس از خرد کردن سنگ معدن، مواد همراه آن جدا می‌گردد، پس از آسیاب کردن، خشک و سپس در اولئوم حل می‌شود که این واکنش آرام است، در حالی که با اسید سولفوریک غلیظ واکنش شدید می‌باشد.

محلول اولئوم به تدریج با اسید سولفوریک و سپس با آب رقیق می‌گردد. در اثر این عمل، محلولی از سولفات تیتانیوم، سولفات فرو سولفات فریک همراه با سیلیس غیر محلول بدست می‌آید.

از طریق فیلتراسیون، سیلیس نامحلول جدا و سپس مقداری آهن قراضه به محلول آن اضافه می‌کنند تا تمام آهن موجود به املاح دو ظرفیتی آهن تبدیل شود.

سپس محلول را جدا می‌کنند و پس از صاف کردن به دستگاه تبخیر در خلاء انتقال می‌دهند. بدین ترتیب سولفات فرو به صورت کریستال جدا می‌شود.

مرحله بعد از این نظر که کنترل کننده اندازه ذرات و ماهیت رنگدانه می‌باشد، مرحله مشکل و تعیین کننده‌ای است. در این مرحله ابتدا محلول را می‌جوشانند تا سولفات تیتانیوم هیدرولیز و به هیدروکسید تیتانیوم تبدیل گردد.

شرایط عمل هیدرولیز باید دقیقاً کنترل شود. رسوب هیدروکسید با آب کاملاً شسته می‌شود تا اسید و آهن آن خارج گردد، پس از فیلتراسیون و خارج کردن رسوب هیدروکسید تیتانیوم آن را در کوره دواری با دمای c ◦ 800 کلسینه می‌کنند.

در این روش تیتانیوم دی اکسید نوع آناتاز تهیه می‌شود. نوع روتیل از طریق وارد کردن ذرات روتیل (نشاندن ذرات روتیل در درون ذرات هیدروکسید تیتانیوم) یا افزودن نمک روی قبل از مرحله هیدرولیز، تهیه می‌گردد.

روش کلراید

در این روش گاز کلر در دمای 900 درجه سانتی‌گراد از روی مخلوط سنگ معدن روتیل و زغال کک عبور داده می‌شود، سنگ معدن روتیل 96-95% اکسید تیتانیوم دارد و واکنش زیر انجام می‌گیرد:
 
تتراکلرید تیتانیوم فرار است ولی با کلرید فریک، که به علت وجود ناخالصی‌های آهن در سنگ معدن تشکیل می‌شود، مخلوط می‌گردد. در هنگام سرد کردن گازها، کلرید فریک در دمای بالاتر از نقطه جوش تتراکلرید تیتانیوم به مایع تبدیل می‌شود.

تتراکلرید تیتانیوم با سرد کردن بیشتر به مایع تبدیل و به وسیله تقطیر خالص می‌گردد. تتراکلرید تیتانیوم در حرارت 1000 درجه سانتی‌گراد در مجاورت اکسیژن می‌سوزد که در اثر اکسید شدن آن تیتانیوم دی اکسید به دست می‌آید.
 
برای اطمینان از تشکیل رنگدانه نوع روتیل، اکسیژن مصرفی اندکی رطوبت دارد و علاوه بر آن مقدار کمی کلرید آلومینیوم نیز با تتراکلرید تیتانیوم مخلوط می‌شود که همزمان اکسیده می‌گردد.

تیتانیوم دی اکسید حاصل، برای جدا کردن، اسید، کاملاً شستشو می‌شود و پس از عملیات بهبود سازی سطح خشک می‌گردد.

با کنترل دقیق فرایند اکسیداسیون، تیتانیوم دی اکسید خالص‌تری به دست می‌آید که در نتیجه رنگ آن کاملاً سفید و اندازه ذرات آن تقریباً یکسان است.

عملیات بهبودسازی خصوصیات سطح رنگدانه

برای بهتر شدن بعضی خواص عملی و کارآیی تیتانیوم دی اکسید (مثل قابلیت مرطوب شدن، سهولت پخش شدن و مقاومت در برابر گچی شدن) با استفاده از اکسیدها یا هیدروکسید آلومینیم، سیلیسیوم و روی، عملیاتی روی سطح آن انجام می‌شود این عملیات شامل رسوب دادن مواد فوق از محلول نمک‌های مربوطه بر روی سطح ذرات رنگدانه می‌باشد که پس از آن عملیات شستشو و خشک کردن انجام می‌گیرد.

عملیاتی که روی سطح رنگدانه انجام می‌شود سبب کاهش فعالیت کاتالیزوری سطح رنگدانه می‌گردد، که در مورد روتیل فعالیت کاتالیزوری سطح خیلی کم می‌شود.

مقدار نسبی اکسیدهای مصرفی و مقداری که برای پوشش‌دار کردن سطح رنگدانه به کار می‌رود، بستگی به نوع کاربرد روتیل دارد، مثلاً آیا در رنگ‌های نهایی براق تزئینی، مصرف می‌شود، یا لعاب‌های کوره‌ای صنعتی، یا رنگ‌های امولسیونی و غیره.

مقدار تیتانیوم دی اکسید موجود در رنگدانه‌ای که عملیات بهبودسازی سطح بر روی آن انجام شده است می‌تواند بین 95-90% متغیر باشد.

خواص تیتانیوم دی اکسید

در میان رنگدانه‌های سفید، تیتانیوم دی اکسید دارای قدرت پوشانندگی بیشتر و همرنگ کنندگی بهتری می‌باشد و به همین علت به عنوان رنگدانه سفید بیشترین مصرف را به خود اختصاص داده است.

این رنگدانه غیر سمی است و در مقابل حلال‌هایی که در رنگ به کار می‌روند مقاوم است و پایداری حرارتی خوبی هم دارد. همچنین پایداری شیمیایی آن خوب است، و تنها در اسید سولفوریک غلیظ حل می‌شود که سرعت واکنش خیلی کم است.

این رنگدانه در دو نوع آناتاز و روتیل وجود دارد. ساختمان کریستالی هر دو یکسان است اما وزن مخصوص آناتاز کمتر از روتیل می‌باشد که به علت فاصله بیشتر بین اتم‌های تیتانیوم و اکسیژن است.

هر دو نوع رنگدانه زمانی که در معرض اشعه فرابنفش قرار می‌گیرند به شدت آن را جذب می‌کنند. نوع آناتاز در اثر جذب اشعه شدیداً تحریک می‌شود و فعالیت کاتالیستی سطحی زیادی از خود نشان می‌دهد، اما، تهیج و فعالیت کاتالیستی نوع روتیل بسیار کم بوده، و بیشتر انرژی جذب شده را به صورت گرما از دست می‌دهد.
 
گچی شدن یا سفیدک زدگی

زمانی که دراثر تجزیه لایه سطحی رنگ پایه، رنگدانه‌های آزاد (بدون اتصال شیمیایی) به وجود بیایند، این پدیده مشاهده می‌شود. در این صورت در اثر سائیدن نوک انگشت روی سطح رنگ، رنگدانه به صورت پودر سفید یا گچ جدا می‌گردد.

این پدیده در فیلم رنگ محتوی آناتاز یا روتیل، بعد از مدتی که در مجاورت آتمسفر قرار می‌گیرد، اتفاق می‌افتد. گچی شدن در نوع آناتاز سریع‌تر از نوع روتیل اتفاق می‌افتد و تخریب فتوشیمیایی فیلم شدیدتر از نوع روتیل انجام می‌گیرد.

در واقع نوع روتیل، به خصوص نوعی که فرایند سطحی روی آن انجام شده، مقاومت بهتری در برابر گچی شدن نشان می‌دهد، به همین علت نوع روتیل در رنگ‌های رویه بیرونی به کار می‌رود. البته باید در نظر داشت که نوع رزین مصرفی در تمایل رنگ به گچی شدن مؤثر است.

بطور کلی رنگ طوری فرمول‌بندی می‌شود که در عین مقاومت در مقابل گچی شدن، ظاهر سفید تمیزی نیز داشته باشد، به همین علت از مخلوط روتیل و آناتاز استفاده می‌شود.

تخریب لایه سطحی رزین که منجر به گچی شدن فیلم رنگ می‌شود، به علت آن است که درمجاورت تیتانیوم دی اکسید سرعت اکسیداسیون افزایش می‌یابد.

در این اکسیداسیون تیتانیوم دی اکسید نقش کاتالیزور را بازی می‌کند که نوع آناتاز بسیار فعال‌تر از نوع روتیل است. تحقیقات انجام شده نشان می‌دهد که آناتاز اکسیژن بیشتری را نسبت به روتیل جذب می‌کند.

چنین تصور می‌شود که در لایه فیلم رنگ هم اکسیژن و هم بعضی از اجزای رنگ پایه بر روی سطح فعال شده تیتانیوم دی اکسید جذب می‌شوند، و چون جذب مواد اولیه بر روی سطح یک جامد عموماً منجر به کاهش انرژی فعالیت واکنش می‌گردد، بنابراین عمل فوق باعث تسریع اکسیداسیون لایه رنگ می‌شود.

دانشمندانی که بر روی این مسئله تحقیق کرده‌اند، اظهار می‌دارند که وقتی تیتانیوم دی اکسید در اثر جذب اشعه فرابنفش تحریک می‌شود، واکنش‌های انتقال الکترون بین اکسیژن و آب اتفاق می‌افتد و موجب بوجود آمدن مواد اکسید کننده می‌گردد.

اگرچه اکسایش رنگ پایه و تخریب بعدی آن ممکن است بر روی سطح تیتانیوم دی اکسید انجام گیرد، اما این عمل در سرتاسر سطح لایه رنگ پایه، که حتی بخش اعظم آن اصلاً در تماس با رنگدانه نیز نیستند، اتفاق می افتد، چنین به نظر می‌رسد که این عمل بدین خاطر است که بعضی از ذرات پلیمری که در روی سطح تیتانیوم دی اکسید، اکسید شده‌اند به سایر نقاط لایه رنگ نفوذ کرده و به اکسایش سایر مولکول‌ها کمک می‌کنند و یا احتمالاً موجب یک سری واکنش‌های زنجیره‌ای با مکانیزم رادیکال آزاد یا فعال سازی می‌گردند.

موارد استفاده تیتانیوم دی اکسید

نوع آناتاز در رنگ‌های صنعتی که سفیدی رنگ مسئله مهمی است ولی مقاومت آن در مقابل آب وهوا چندان اهمیتی ندارد، مانند رنگ‌های وسایل خانگی و تجهیزات بیمارستانی، به کار می‌رود.

شناسایی تیتانیوم دی اکسید

مقاومت شیمیایی بسیار خوب این رنگدانه، ما را قادر می‌سازد که بتوانیم آن را از اکثر رنگدانه‌های دیگر جدا کنیم. البته این عمل در مورد بعضی از رنگدانه‌ها عملی نیست. اما، با وجود این، چنین موادی در آزمایشات شناسائی ایجاد مزاحمت نخواهد کرد. شناسایی تیتانیوم دی اکسید با آزمایش ساده زیر انجام می‌گیرد.

مقدار کمی رنگدانه را در یک شیشه ساعت ریخته و آن را با اسید سولفوریک غلیظ مرطوب می‌کنیم. افزودن چند قطره محلول پر اکسید هیدروژن و ایجاد رنگ نارنجی یا زرد مایل به نارنجی نشان دهنده وجود اکسید تیتانیوم است.

سمی بودن تیتانیوم دی اکسید

این رنگدانه غیرسمی است اما ذرات حاصل از حمل و نقل آن آزاردهنده می‌باشد.
متر مکعب/ میلی گرم 10= مقدار حد مجاز ایمنی تیتانیوم دی اکسید

منبع: آمازون تله

ویکی پلاست | مرجع بازار صنعت پلاستیک