Диоксид титана: Преимущества и проблемы в использовании
Титан диоксид титана, о котором все часто говорят, на самом деле является диоксидом титана (TiO₂), который является белым неорганическим соединением.
Его сила заключается в высоком показателе преломления, стабильных химических свойствах и отличных оптических свойствах. Диоксид титана имеет три кристаллические структуры, а именно рутил, анатаз и брокит, но в промышленном производстве наиболее часто используются рутил и анатаз.
С этими уникальными "способностями" диоксид титана имеет широкий спектр применения, включая покрытия, пластмассы, производство бумаги, косметику, пищевые добавки и даже фотокаталитические материалы.
Основные преимущества диоксида титана
Высокая скрывающая способность и белизна
Диоксид титана имеет высокий показатель преломления (рутиловый тип около 2,76, анатазный тип около 2,55) и показывает хорошие результаты среди неорганических пигментов. Благодаря своей высокой способности рассеивания видимого света, он придает материалу отличную скрывающую способность и белизну. Например, небольшое количество добавления в покрытие может скрыть основу и улучшить эффект покрытия; в качестве наполнителя в производстве бумаги он может улучшить непрозрачность и белизну бумаги.
Способность защиты от UV
Диоксид титана имеет значительные эффекты поглощения и рассеивания ультрафиолетовых лучей (UVB и UVA):
Механизм поглощения: его ширина запрещенной зоны (рутиловый тип 3.0 эВ, анатазный тип 3.2 эВ) может поглощать ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 400 нм и преобразовывать их в безвредную теплоту;
Механизм рассеивания: Наноразмерный диоксид титана (размер частиц 20-100 нм) имеет более высокую эффективность рассеивания для ультрафиолетовых лучей и часто используется в солнцезащитных продуктах. Например, диоксид титана с размером частиц 30 нм может эффективно защищать от UVB (280-320 нм).
Сопротивление коррозии и старению
Диоксид титана не реагирует с кислотами, щелочами, окислителями и т.д. при комнатной температуре и растворим только в плавиковой кислоте и горячей концентрированной серной кислоте.
Эта функция позволяет сопротивляться эрозии экологических факторов, таких как кислотные дожди и ультрафиолетовые лучи в наружных покрытиях и пластиковых профилях дверей и окон, увеличивая срок службы материала. Например, после добавления рутилового диоксида титана в покрытия для внешних стен зданий, устойчивость к погодным условиям может быть увеличена более чем на 30%.
Безопасность в пищевой и фармацевтической областях
Диоксид титана внесен в список GRAS (в целом признан безопасным) веществами Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA). Он может использоваться в качестве пищевой добавки (например, в качестве отбеливателя для конфет и шоколада) или в качестве покрытия для таблеток. Его нетоксичные и нераздражающие свойства соответствуют строгим стандартам безопасности материалов, контактирующих с пищей.
Анатазный диоксид титана производит фотогенерированные электронно-дырочные пары под ультрафиолетовым облучением, которые, в свою очередь, генерируют гидроксильные радикалы (·OH) и супероксидные анионы (·O₂⁻). Эти активные вещества могут разлагать органические загрязнители, такие как формальдегид и бензол, и даже убивать бактерии. Например, фотокаталитические фильтры, загруженные диоксидом титана, могут использоваться в воздухоочистителях, с коэффициентом удаления формальдегида более 90%; в самоочищающемся стекле покрытия из диоксида титана могут разлагать органические пятна на поверхности и достигать эффекта самоочистки под воздействием эрозии дождя.
Совместимость в нескольких областях
Диоксид титана совместим с различными средами, такими как вода и масло. Его дисперсность в полимерах может быть дополнительно улучшена за счет модификации поверхности (например, обработки с помощью силанов), и он подходит для пластиков (например, ПВХ труб), резины, чернил и других материалов.
Преимущество экономической эффективности
По сравнению с другими белыми пигментами (такими как оксид цинка и свинцовый порошок), диоксид титана обладает большей скрывающей способностью и меньшими затратами на единицу площади. Хотя стоимость нано-продуктов выше, цена обычного промышленного диоксида титана (около 15 000-20 000 юаней/тонна) все еще конкурентоспособна среди высокоэффективных пигментов.
Основные недостатки диоксида титана
(I) Потенциальные риски, связанные с фотоактивностью
Споры о биобезопасности нано-диоксида титана
Когда размер частиц диоксида титана уменьшается до наноразмеров, свободные радикалы, образующиеся в результате его фотокатализа, могут повредить ДНК клеток. Например, исследования показали, что нано диоксид титана (
Разложение органических матриц
В пластиках и покрытиях немодифицированный диоксид титана катализирует окислительное разложение матричных полимеров под ультрафиолетовым светом, что приводит к хрупкости и обесцвечиванию материала. Например, модифицированный диоксидом титана материал ПВХ без добавленных стабилизаторов света может потерять 20% прочности на растяжение после одного года пребывания на улице.
(II) Проблемы дисперсии: наноагломерация и потеря производительности
Тенденция к агломерации наночастиц
Нано диоксид титана имеет большую удельную поверхность (до 50-100 м2/г) и высокую поверхностную энергию. Нано диоксид титана очень легко образует мягкие и твердые агломераты, что приводит к неравномерной дисперсии в растворителях или матрицах. Например, в водоэмульсионных покрытиях необработанный нано диоксид титана будет образовывать агломераты с размером частиц до микрометров, что снижает прозрачность и механические свойства покрытия.
Сложный процесс дисперсии
Для решения проблемы агломерации требуется высокоскоростное сдвиговое, ультразвуковое лечение или модификация поверхности (такая как прививка полимеров), что увеличивает сложность и стоимость производственного процесса. Например, стоимость подготовки высококачественной нано-диоксида титана суспензии на 30%-50% выше, чем у обычного диоксида титана.
(III) Экологическая нагрузка и потребление энергии в процессе производства
Проблемы загрязнения традиционных процессов
Метод серной кислоты: использование ильменита в качестве сырья, требуется концентрированная серная кислота для растворения, при этом образуется большое количество кислых сточных вод (включая FeSO₄) и токсичного газа (SO₂), и обработка 1 тонны диоксида титана производит около 8-10 тонн сточных вод.
Метод хлорирования: использование рутила в качестве сырья, хлор и подобные диоксину вещества могут выделяться во время высокотемпературного хлорирования. Хотя уровень загрязнения ниже, чем при методе серной кислоты, инвестиции в оборудование выше (в 2-3 раза больше, чем при методе серной кислоты).
Особенности высокого потребления энергии
Процесс кальцинации диоксида титана необходимо проводить при высокой температуре 800-1200℃, а потребление энергии на тонну продукта составляет около 1500-2000 кВтч, что в 2-3 раза больше, чем у обычных неорганических пигментов.
(IV) Ограничения сценариев применения
Ограничения фотокаталитической эффективности
Диоксид титана реагирует только на ультрафиолетовые лучи (около 5% солнечной энергии), и коэффициент использования видимого света низкий. Например, в помещениях с низким уровнем освещения эффективность фотокаталитического разложения формальдегида составляет менее 10% от таковой в наружных условиях с высоким уровнем освещения.
Конкурентное давление со стороны заменителей
В некоторых областях диоксид титана сталкивается с вызовом альтернативных материалов:
Солнцезащитный крем: оксид цинка имеет лучший защитный эффект на длинноволновое УФА и меньшую фоточувствительность;
Белый пигмент: неорганические наполнители, такие как сульфат бария и карбонат кальция, являются недорогими и подходят для бюджетных продуктов с низкими требованиями к укрывистой способности.
Диоксид титана занимает незаменимую позицию во многих промышленных областях благодаря своим отличным оптическим и химическим свойствам, но его фотоактивность, дисперсность и проблемы охраны окружающей среды при производстве все еще нуждаются в постепенном решении через технологические инновации.
Наша платформа соединяет сотни проверенных китайских химических поставщиков с покупателями по всему миру, способствуя прозрачным сделкам, лучшим бизнес-возможностям и высокоценным партнерствам. Независимо от того, ищете ли вы оптовые товары, специальные химикаты или услуги по индивидуальному закупу, TDD-Global заслуживает доверия, чтобы стать вашим первым выбором.
