ОПИС, ТЕХНОЛОГІЇ ПРОДУКТІВ, СВІЙСТІВ І ЗАСТОСУВАННЯ ДИОКСІДА ТІТАНА

Що таке двоокис титану?

Оксид титану (IV), діоксид титану, двоокис титану

амфотерний оксид чотиривалентного титану. Є основним продуктом титанової індустрії (на виробництво чистого титану йде лише приблизно 5% титанової руди).

Технічний опис.

Чистий діоксид титану (TiO₂) — це безбарвна тверда кристалічна речовина. Попри безбарвність, у великих кількостях діоксид титану надзвичайно ефективний білий пігмент, якщо він добре очищений. TiO₂ практично не поглинає жодного світла, що падає, у видимій зоні спектра. Світло або передається, або заломлюється через кристал або ж відбивається на поверхнях. TiO₂ — це стабільна (най стабільніша з усіх відомих білих пігментів), нелетка, нерозчинна в кислотах, лугах і розчинах за нормальних умов речовина. Двоокис титану вирізняється високою реакційною стійкістю до різних сполук, зокрема й до токсичних, що містяться в повітряному середовищі. Через свою інертність діоксид титану не токсичний і загалом вважається дуже безпечною речовиною. Він може контактувати з продуктами в пакованні, а в певних концентраціях його можна використовувати і як харчовий барвник.
Діоксид титану не розчиняється у воді та розведених мінеральних кислотах (крім плавикової) і розведених розчинах лугів.

Пігментний діоксид титану наявний у двох формах — анатазна та рутильна та виробляється за двома технологічними схемами: сульфатний і хлорний способи. Обидві форми можуть бути зроблені будь-яким зі способів.
Порівнюючи з сульфатним хлорним способом, є більш екологічно чистим і досконалим завдяки можливості здійснювати процес у безперервному режимі, що передбачає повну автоматизацію виробництва. Однак хлорний спосіб вибірковий до сировини, а у зв'язку з використанням хлору та високих температур вимагає застосування корозійностійкого обладнання.
Двоокис титану, TiO₂, — з'єднання титану з киснем, у якому титан чотиривалентний. Білий порошок, жовтий у нагрітому стані. Трапляється в природі головним чином як мінерал рутила. Температура плавлення — 1855 °C, температура кипіння — 2500-3000 °C. Щільність 3,9 — 4,25 г/см3. Практично нерозчинна в лугах і кислотах, за винятком HF. У концентрованій Н₂SO₄ розчиняється лише у разі тривалого нагрівання. Під час сплавлення двоокису титану з едкими або вуглекислими лугами утворюються титанати, які легко гідролізуються з утворенням на холоду ортотитанової кислоти (або гідрату) Ti (OH)₄, легко розчинною в кислотах. Під час стояння вона переходить у мотетанову кислоту (форма), що має мікрокристалічну структуру та розчинну лише в гарячій концентрованій сірній і фтористорідній кислотах. Більшість титанатів практично нерозчинні у воді.
Основні властивості двоокису титану виражені сильніше за кислотні, але солі, у яких титан є катіоном, також чималою мірою гідролізуються з утворенням двовалентного радикала титанила TiO₂+. Останній входить до складу солей як катіон (наприклад, сірокислений титаніл TiOSO₄•2H₂O). Двоокис титану є одним із найважливіших сполук титану, слугує вихідним матеріалом для отримання інших його сполук, а також частково металевого титану. Використовується головно як мінеральна фарба, крім того, як наповнювач у виробництві гуми та пластичних металів. Входить до складу тугоплавчих скел, глазурів, форфорових мас. З неї виготовляють штучні коштовні камені, босколірні та пофарбовані.
TiO₂ — один із найважливіших неорганічних сполук, споживаних сучасною промисловість'ю, унікальні властивості діоксиду титану визначають рівень технічного прогресу в різних секторах світової економіки.
Діоксид титану пігментний є найпопулярнішим товаром на світовому ринку. Світовий обсяг його виробництва — 4,5 млн т.

Будова.

Оксид титану є у формі декількох модифікацій. У природі трапляються кристали з тетрагональною синхронією (анатаз, рутил) і ромбічною сингонією (брукіт). Штучно отримані ще дві модифікації високого тиску — ромбічна IV і гексагональна V. Треба зазначити, що брукіт промислово майже не виробляється і в природі трапляється рідко. Анатазна форма також істотно поступається з виробництва рутильної, оскільки гірше розсіює світло та менш атмосферостійка.

Характеристики кристалічної решітки

Під час нагрівання та анатаз і брукіт незворотно перетворюються на рутил (температури переходу відповідно 400-1000 °C і приблизно 750 °C). Основою структур цих модифікацій є октаедри TiO₆, тобто кожен іон Ti₄₊ оточений шістьма іонами O_2-, а кожен іон O_2- оточений трьома іонами Ti₄₊. Октаедри розташовані так, що кожен іон кисню належить трьом октаедрам. В анатазі на один октаедр припадають 4 загальних ребра, у рутилі — 2.

Насіння в природі.

У чистому вигляді в природі трапляється у формі мінералів рутилу, анатазу та брукіту (за будовою перші два мають тетрагональну, а останній — ромбічну сингою), причому основна частина становить рутил.
Третьою у світі за запасами рутилу родовища знаходиться в розвідувальному районі Тамбівської області. Великі родовища розташовані також у Чилі (Cerro Bianco), канадській провінціїбека, Review-Леоне.

Рутил или анатаз?

TiO₂ — трапляється в природі трьох основних кристалічних форм: антаз, рутил і брукіт, останній у природі трапляються рідко та комерційної цікавості не представляє. Рутильний діоксид приблизно на 30% краще розсіює світло (краще покриваність), ніж анатазний, тому останній використовується набагато рідше. До того ж анатаз менш атмосферостійкий, ніж рутил. Анатаз набагато гірше працює в захисті полімеру (акрилату, пластмаси) від УФ променів і призводить до фотокаталізму (руйнуванню матеріалу під впливом сонячного світла) і втрати властивостей полімеру (виходить деструкція, вицвітання, вибілювання тощо). Отже, саме рутильна форма діоксиду титану є єдиним і безальтернативним білим пігментом у стандартних зонах промисловості (фарбою, пластмаси, папір) для надання білини, покриваності (кол-во пігменту в грамах, щоб укрити 1 кв. м. контрастної поверхні) і стабільності системі пігмент + носій. Єдине обґрунтоване застосування анатазного титану — це фарби для дорожньої розмітки. У цьому типі карски проявляються деякі специфічні властивості цієї форми.

Властивості та технології.

Діоксид титану широко застосовується під час виробництва виробів із полімерів. Цей матеріал давно відомий як чудовий білий пігмент, і саме в цій якості він знайомий багатьом людям.
Водночас діоксид титану привніс до полімерної промисловості не тільки можливість отримувати блискучі білі поверхні. За своєю природою діоксид титану є фотоактивним матеріалом, і якраз ця здатність взаємодіяти зі світлом надає йому особливої цінності. Так, наприклад, така взаємодія може набувати форми звичайного розсіювання світла, що забезпечує непрозорість матеріалу або форму поглинання енергії ультрафіолетового спектра світла, що захищає полімер від деструкції під впливом ультрафіолетового випромінювання. Ефект взаємодії частинок діоксиду титану зі світлом продовжує знаходити на практиці все ширше застосування.
На тлі появи найрізноманітніших варіантів практичного застосування діоксиду титану його пігментні властивості надалі зберігають найнайкращу значущість. Діоксид титану вважається в полімерній промисловості основним білим пігментом. Він широко використовується, оскільки ефективно розсіює видиме світло, надаючи у такий спосіб пластиковому продукту, у якому він міститься, білину, яскравість і непрозорість. Речовина хімічно інертно, не розчиняється в полімерах і вирізняється високою термостійкістю за найжорсткіших умов оброблення. Промисловий діоксид титану постачається у формі двох кристалічних модифікацій, іменованих анатаз і рутил. Під час вибору між ними перевага віддається рутиловим пігментам, оскільки вони краще розсіюють світло, стійкіші та меншою мірою сприяють фотодеструкції.
Практично немає промислових випущених пігментів, що виготовляються з чистого діоксиду титану. Більшість із них мають неорганічну, а в деяких випадках органічну обробку, що наноситься на поверхню частинок TiO₂ через осад, механічне перемішування або будь-яким іншим способом. Такі способи поверхневого оброблення призводять до поліпшення одного, а то й декількох експлуатаційних властивостей пігменту, до яких можна віднести легкість диспергування, стійкість до атмосферних впливів або стійкість кольору. Поки ще не знайдено універсальний спосіб поверхневого оброблення, який би дав змогу отримувати пігмент, максимально придатний для будь-яких практичних застосувань, так що мета безперервних досліджень — і далі розробляти нові марки діоксиду титану, які б відповідали безперервно мінливим вимогам індустрії пластмас.
Світлорозсіювальні властивості: діоксид титану забезпечує покриваність через розсіювання світла На відміну від кольорових пігментів, які забезпечують покриваність завдяки поглинанню певних довжин хвиль видимого спектра світла, діоксид титану та інші білі пігменти досягають цього способом розсіювання світла. Ефект розсіювання в цьому разі можливий завдяки тому, що білий пігмент заломлює світло. Якщо в композиції достатню кількість пігменту, то все світло, що падає на її поверхню, за винятком малої частини, яка поглинається полімером або пігментом, розсіється повніше, і композиція матиме білий і непрозорий вигляд. Розсіяння світла супроводжується заломленням і дифракцією світлових променів під час їх проходження через частинки пігменту або поблизу них.