Диоксид титана (двуокись титана, Е171) – пищевая добавка, являющаяся белым красящим веществом.
Представляет собой прозрачный кристаллический порошок, желтеющий при нагревании. Встречается в природе в трех вариациях: в виде минералов анатаза, рутила и брукита, имеющих различное кристаллическое строение. Для получения вещества используется только диоксид титана со структурой анатаза и рутила.
Диоксид титана пищевой разрешен к использованию в промышленности с 1994 года в качестве красителя для придания продуктам питания отбеливающего эффекта.
В товарной форме диоксид титана обычно является чистым веществом, в котором присутствует незначительное количество примесей диоксида кремния и оксида алюминия, улучшающих технологичность продукта.
К основным свойствам диоксида титана относятся:
- Высокая отбеливающая способность;
- Химическая стойкость;
- Нетоксичность;
- Высокая влаго- и атмосферостойкость.
На запах и вкус продуктов диоксид титана влияния не оказывает, его главное предназначение заключается в придании продуктам более аппетитного внешнего вида. Пищевая добавка наделяет продукты идеальной белизной, столь привлекательной для потребителя.
Применение диоксида титана
В пищевой промышленности диоксид титана используется в качестве пищевой добавки E171, применяемой для производства быстрых завтраков, сухого молока, порошкообразных продуктов. С помощью двуокиси титана отбеливаются крабовые палочки и прочие аналоги рыбных изделий, жевательные резинки, майонез, а также осветляются глазурь, белый шоколад, конфеты и т.д.
В производстве пельменей диоксид титана применяется для осветления муки. Дозировка Е171 подбирается в зависимости от необходимой белизны теста. При этом требуемое количество красителя вносится в массу вместе с мукой и тщательно перемешивается для максимального распределения вещества. Закладка диоксида титана составляет 100-200 грамм на 100 кг муки.
В мясоперерабатывающей промышленности диоксид титана, к свойствам которого относятся хорошая диспергируемость (эмульгирование) и оптическая привлекательность, используется для отбеливания шпика, паштетов и деликатесной продукции.
Применяется диоксид титана и в производстве растительных консервов, в частности в целях осветления тертого хрена.
Вред диоксида титана
Официальные клинические исследования до сегодняшнего дня не смогли выявить какие-либо негативные последствия от приема пищевой добавки E171. Согласно данным, диоксид титана не растворяется в желудочном соке и практически не всасывается организмом через стенки кишечника. Таким образом, двуокись титана не накапливается в тканях, полностью выводясь из организма.
СанПин 2.3.2.1293-03 разрешает производителям продуктов, употребляемых в пищу, использовать диоксид титана в объемах, которые с точки зрения производителей позволяют им добиться необходимого технологического эффекта.
Однако, предположение о потенциальном вреде диоксида титана все же имеется: как показали исследования на крысах, вдыхание порошка двуокиси титана повышает вероятность возникновения раковых заболеваний, являясь канцерогенным и для человека.
Некоторые ученые предполагают, что наночастицы вещества способны разрушать организм на клеточном уровне, разрушая их природное строение, однако точных подтверждений данному факту, кроме испытаний на грызунах, не имеется.
Несмотря на то, что применяемый в пищевых продуктах диоксид титана считается безвредным, изучение ее влияния на организм продолжаются. Превышать рекомендованную дозировку пищевого диоксида титана (1% в сутки) людям со слабым иммунитетом не желательно.
(диоксид титана) - синтетический пигмент белого цвета, имеющий две формы - рутильный и анатазный, получаемые гидролизом растворов с последующим прокаливанием гидратированной двуокиси титана. Двуокись титана - основной продукт титановой индустрии. В наше время, в интернете все чаще можно обнаружить запрос « , так давайте же попытаемся разобраться для чего же он нужен и как его используют.
Основные сферы применения двуокиси титана:
Лакокрасочные материалы:
(титановые белила) эмали, лаки, а также краски и покрытия на их основе: для улучшения укрывистости и для отбеливания, для предотвращения старения плёнки, для защиты покрытий от ультрафиолетовых лучей, и от пожелтения окрашенных поверхностей.
Пластика
(мебель, окна, пластиковые запчасти для автомобилей): для высокой белизны и интенсивности цветового оттенка, предотвращение старения материала и воздействиям на него внешних факторов.
Бумага: используется для отбеливания и улучшения гладкости, также для производства средств покрывающих бумагу.
Косметика: для защиты от ультрафиолета в кремах от загара, для улучшения отбеливания зубных паст.
Пищевая промышленность: для отбеливания таких продуктов полуфабрикаты, рыбные фарши, белое мясо, жевательные резинки, сахар-рафинад. Для защиты пластиковых упаковок от ультрафиолета, что помогает при хранении и транспортировке продуктов нестойких к солнечному свету.
Фармацевтическая промышленность: двуокись титана пигментная имеет высокую химическую чистоту, для лучшего отбеливающего и укрывистосного свойства.
Краска для печати: увеличение защиты покрытий к воздействиям атмосферы.
Используется и других сферах: защита древесины от внешних факторов (увеличение атмосферостойкости, фильтрация солнечной радиации), добавление в резиновые изделия, производство стекла и стеклянной керамики, радиоэлектронике, очистке воздуха, при изготовлении оптического и термостойкого стекла, тяжелых сплавов, промежуточных химических соединений, материалов для высоких температур (противопожарная защита печей с тягой), опытная хроматография жидкостей. Диоксид служит эталоном чистоты при создании сверхчистых стекол.
Для удовлетворения потребностей, описанных выше, двуокись титана применяют в различных фракциях, чьи характеристики адаптированы для соответствующего использования. Кристаллы двуокиси титана имеют такие формы, как рутил и анатаз. В зависимости от использования, применяют кристаллы различных форм и размеров частиц.
Диоксид титана нашел широчайшее применение в лакокрасочной промышленности в качестве белого пегмента, по причине своей хорошей белизны. Обладая такими преимуществами как не токсичность, доступность, способность отталкивать ультрафиолетовое излучение и стойкостью к внешним атмосферным воздействиям. Спешим разочаровать старых консерваторов: краски на основе цинка или свинца остались в прошлом.
Следственно, главной способностью диоксида титана в эмалях и красках есть придание им белизны . Но конкуренты так же присутствуют, самые главные мел и мраморный кальцит. Стоят они дешевле и имеют белый цвет. Поэтому краски содержат смесь этих веществ, а в редких случаях только один пигмент.
Белизна краски выражается в количестве входящего в ее состав диоксида титана, но повышает и ее цену, в сравнении с красками, в состав которых входит больше мела или мраморного кальцита. Встречаются рекомендации по частичной замене диоксида титана на окись алюминия, либо тальк, но все это имеет отношение к экономическим соображениям. Как ни странно, но есть некоторая закономерность, в том, что потребление и производство диоксида титана является своебразным показателем развития экономики. Вот такая вот оказия друзья.
Для производства сварных каркасов железобетонных изделий рабочие выполняющие сварку арматуры должны быть одеты в специальную одежду пошитую из огнеупорных тканей. Данный тип одежды защищает сварщиков от попадания искр и брызг металла.
Косметические свойства диоксида титана, основная характеристика вещества, польза и потенциальный вред от использования косметических средств с двуокисью титана.
Содержание статьи:
Диоксид титана - это широко распространенный ингредиент косметических средств, пищевых продуктов и многих других изделий разных видов промышленности. Он не имеет широкого спектра действия, но весьма полезен в ряде производственных технологий. Стоимость и востребованность зависят от степени очистки. Также этим параметром определяется и степень безопасности. Рассмотрим более подробно основные полезные свойства данного вещества и возможные опасности, связанные с его применением.
Что такое диоксид титана
Диоксид титана обладает уникальными свойствами, благодаря чему и получил широкое распространение.
Приведем краткую характеристику данного вещества:
- Как маркируется на этикетках, синонимы . Двуокись титана, Titanium Dioxide, титановые белила, титановый ангидрит, окись титана, оксид титана, CI 77891, Titanium oxide, Titanic acid anhydride, Pigment white 6, micronized titanium dioxide.
- Основные свойства . Имеет высокую отбеливающую способность, легко совмещается с пленкообразователями, стабилен, обладает отличной укрывистостью.
- Получение . Может иметь природное происхождение - это рутил, минерал, концентрация диоксида титана в котором порядка 60%. Перед применением в любом производстве его необходимо тщательно очищать от примесей.
- Область применения диоксида титана . Лакокрасочное производство, для изготовления резины и пластмасс, ламинированной бумаги, стекла (оптического и термостойкого), для создания огнеупорных материалов, искусственных драгоценных камней, диэлектриков керамических, в качестве фотокатализатора в нанотехнологиях, в пищевой промышленности, в фармацевтике и для изготовления косметических средств.
- Уровень опасности . В соответствии с классификацией опасных веществ диоксид имеет IV класс опасности, т.е. является малоопасным. Он не токсичен. Характеризуется инертностью. Не представляет опасности кожным покровам.
- Допустимая концентрация . Описываемое вещество безопасно, если не превышает концентрацию в воздухе 10 мг/куб.м.
Косметические свойства диоксида титана
Подавляющее большинство косметических средств - декоративных, ухаживающих, очищающих - содержит диоксид титана. Но это совсем не означает, что он эффективно справляется с множеством косметических проблем и весьма полезен для кожи.
Он не является активным компонентом из-за своей инертности. Он не способен изменять характеристики кожных покровов. Ему не присущи увлажняющие, стимулирующие, антиоксидантные свойства, т.к. он не проникает в кожные покровы. Однако польза от его присутствия все же есть. Какая - рассмотрим более подробно.
С практической точки зрения Titanium Dioxide применяется при производстве средств, предназначенных для придания особого оттенка коже и для ее защиты от ультрафиолетовых лучей. В данном контексте он имеет несколько полезных косметических свойств:
- Выступает красителем . В первую очередь Titanium Dioxide применяется как краситель. Он превосходно отбеливает любые компоненты. Отбеливающие свойства CI 77891 активно используются при производстве тонирующих продуктов - тональных кремов, пудры, теней для век, румян, т.к. позволяют задавать необходимый оттенок путем смешивания в разных пропорциях с другими красителями.
- . Кристаллы диоксида титана способны защищать кожу от вредного воздействия ультрафиолетового излучения. Эта способность позволяет относить данное вещество к SPF-фильтрам.
- Является вспомогательным веществом . Он используется в качестве загустителя смесей, наполнителя, придает нужную вязкость продукту. Диоксиду титана также приписывают свойства удерживания влаги и маскировки некоторых дефектов кожи.
Можно ли быть уверенными в безопасности применения продуктов, содержащих диоксид титана - читайте далее.
Диоксид титана в косметике: вред или польза?
Диоксид титана является веществом, разрешенным к применению не только в косметической, но и в пищевой промышленности. Это ко многому обязывает. В настоящее время не утихают споры вокруг этого ингредиента. В некоторых исследовательских центрах проводятся исследования, призванные подтвердить или опровергнуть безопасность применения данного красителя и SPF-фильтра.
Рассмотрим несколько противоречивых и неоднозначных вариантов:
- Применение в качестве красителя . Да, двуокись титана значительно улучшает потребительские характеристики продуктов - отбеливает смесь, придавая ей благородно белый цвет. Однако в данном контексте можно говорить о создании привлекательного внешнего вида товара, т.к. белый цвет всегда ассоциируется с чистотой, безопасностью. Поэтому такой вариант использования важен с маркетинговой точки зрения для производителя, но никак не ассоциируется с практичностью и полезностью для потребителя. Другое дело - применение в декоративной косметике для придания особого оттенка. Однако и здесь существуют ограничения по содержанию, например, до 10% в тональных кремах, до 15% в пудрах.
- Применение в антиперспирантах . Аэрозольные антиперспиранты, содержащие двуокись титана, потенциально опасны для человека. Это связано с тем, что при производстве используется сильно измельченное вещество, и при распылении аэрозоля частички невольно попадают через дыхательные пути в легкие. Откуда могут разноситься кровотоком ко всем органам организма. Есть мнение, что диоксид титана легко выводится из организма в неизменном виде. Но последние исследования показывают, что наночастицы Titanium oxide, которые все чаще применяются производителями разных групп товаров, проникают в клетки и оказывают механическое воздействие на ДНК. Эти данные появились после проведенных опытов на крысах. Достоверных данных по воздействию на человека пока нет.
- Применение в качестве SPF-фильтра . Первые солнцезащитные крема с двуокисью титана после нанесения оставляли белый след на коже. Данную проблему производители решили следующим образом - стали использовать наночастицы данного вещества. Действительно, крем стал более прозрачным, поэтому перестал оставлять следы на коже. Но это привело к тому, что изменилась фильтрующая способность средства. При измельчении до наночастиц при той же удельной массе Titanium oxide приобретает большую площадь поверхности и может стать фотокатализатором, который будет усиливать повреждающее воздействие ультрафиолетового излучения.
- Использование в средствах для наружного применения . Отдельно стоит сказать о том, что двуокись титана обладает способностью закупоривать поры и приводить к образованию прыщей. Чтобы избежать этого, стоит уделять особое внимание тщательной очистке кожи после применения косметических средств, содержащих данный компонент.
Таким образом, использование диоксида титана может быть небезопасным в контексте физико-химических реакций при условии использования его в размерах наночастиц. Потребителям стоит внимательно изучать состав, чтобы минимизировать риски развития негативных реакций.
В чем состоит вред диоксида титана в косметике
На основании полученных результатов исследований можно сделать вывод, что не каждое косметическое средство, содержащее двуокись титана, может быть безопасным. Полностью отказаться от таких продуктов в краткие сроки не получится, т.к. применение этого ингредиента крепко вошло в производственные технологии. В ожидании новых результатов исследований стоит помнить о мерах предосторожности некоторым категориям людей - людям с чувствительной кожей и детям.
Вред диоксида титана для обладателей проблемной кожи
Проблемная кожа в наибольшей степени подвержена негативному влиянию различных факторов, поэтому для ухода за ней должны применяться наиболее щадящие косметические средства. Вред применения диоксида титана в косметике для проблемной кожи проявляется чаще, чем на нормальном типе.
Несмотря на свою химическую нейтральность по отношению к дерме и любым ингредиентам косметических и моющих средств, диоксид титана может создавать липкую пленку на кожных покровах, которая не только задерживает влагу, но и может служить причиной развития прыщей, появления раздражения, особенно на жирной коже, склонной к таким дефектам.
В случае с нормальной кожей нет повышенного выделения кожного жира, пота, поэтому эти загрязнения не вызовут проблем.
В любом случае необходимо выбирать качественные средства для снятия макияжа, т.к. остатки двуокиси титана могут скапливаться в кожных порах и провоцировать появление новых раздражений.
Вреден ли диоксид титана в косметике для детей
Как было сказано ранее, Titanium oxide применяется повсеместно, даже в средствах для детей. Сейчас растет популярность детской косметики. Данное вещество используют в присыпках, кремах, детской декоративной косметике, зубных пастах, мыле и др.
На этикетке каждого товара обозначены координаты для связи с производителем. Перед покупкой лучше всего убедиться в том, что в конкретном продукте не используются наночастицы, ведь они несут в себе наибольшую опасность. Попадание в организм микрочастиц данного вещества чревато изменением в ДНК, ухудшением иммунитета и непредсказуемым развитием хронических заболеваний. В случае с детским неокрепшим организмом опасность возрастает в несколько раз.
Примечательно, что теоретически риск попадания наночастиц из косметики внутрь организма довольно мал. Поэтому полный отказ от использования таких товаров не требуется. В данном случае родители должны обучать детей правильному использованию и не допускать применения не по назначению.
При необходимости применения солнцезащитного крема лучше выбирать тот, который оставляет белый след - это говорит о том, что диоксид титана применяется в форме крупнозернистого порошка и будет более безопасным.
Что такое диоксид титана в косметике - смотрите на видео:
Потенциальную опасность несет в себе плохо очищенный диоксид титана. В таком случае примеси могут наносить непоправимый вред организму. К сожалению, проверить это потребителю довольно сложно, остается полагаться на добросовестность производителей. На данный момент двуокись титана разрешена к применению в определенных концентрациях. Но уже в ближайшие месяцы ситуация может измениться, ведь споры о его безопасности не утихают.
Что такое двуокись титана?
Оксид титана(IV), диоксид титана, двуокись титана
амфотерный оксид четырехвалентного титана. Является основным продуктом титановой индустрии (на производство чистого титана идет лишь около 5 % титановой руды).Техническое описание.
Чистый диоксид титана (TiO 2) - это бесцветное твердое кристаллическое вещество. Несмотря на бесцветность, в больших количествах диоксид титана чрезвычайно эффективный белый пигмент, если он хорошо очищен. TiO 2 практически не поглощает никакого падающего света в видимой области спектра. Свет или передается, или преломляется через кристалл или же отражается на поверхностях. TiO 2 - это стабильное (самый стабильное из всех известных белых пигментов), нелетучее, нерастворимое в кислотах, щелочах и растворах при нормальных условиях вещество. Двуокись титана отличается высокой реакционной устойчивостью к различным соединениям, в том числе и к токсичным, содержащимся в воздушной среде. Из-за своей инертности, диоксид титана не токсичен и, в общем, считается очень безопасным веществом. Он может контактировать с продуктами в упаковке, а в определенных концентрациях его можно использовать и как пищевой краситель.
Диоксид титана не растворяется в воде и разбавленных минеральных кислотах (кроме плавиковой) и разбавленных растворах щелочей.
Пигментный диоксид титана существуют в двух формах - анатазная и рутильная и производится по двум технологическим схемам: сульфатный и хлорный способы. Обе формы могут быть произведены любым из способов.
По сравнению с сульфатным хлорный способ является более экологически чистым и совершенным благодаря возможности осуществлять процесс в непрерывном режиме, что предполагает полную автоматизацию производства. Однако хлорный способ избирателен к сырью, а в связи с использованием хлора и высоких температур требует применения коррозионностойкого оборудования.
Двуокись титана, TiO 2 , - соединение титана с кислородом, в котором титан четырехвалентен. Белый порошок, желтый в нагретом состоянии. Встречается в природе главным образом в виде минерала рутила. Температура плавления - 1855° С, температура кипения - 2500-3000° C. Плотность 3,9 - 4,25 г/см³. Практически нерастворима в щелочах и кислотах, за исключением HF. В концентрированной Н 2 SO 4 растворяется лишь при длительном нагревании. При сплавлении двуокиси титана с едкими или углекислыми щелочами образуются титанаты, которые легко гидролизуются с образованием на холоду ортотитановой кислоты (или гидрата) Ti(OH) 4 , легко растворимой в кислотах. При стоянии она переходит в мстатитановую кислоту (форма), имеющую микрокристаллическую структуру и растворимую лишь в горячей концентрированной серной и фтористоводородной кислотах. Большинство титанатов практически нерастворимы в воде.
Основные свойства двуокиси титана выражены сильнее кислотных, но соли, в которых титан является катионом, также в значительной мере гидролизуются с образованием двухвалентного радикала титанила TiO 2 +. Последний входит в состав солей в качестве катиона (например, сернокислый титанил TiOSO 4 .2H 2 O). Двуокись титана является одним из важнейших соединений титана, служит исходным материалом для получения других его соединений, а также частично металлического титана. Используется главным образом как минеральная краска, кроме того, как наполнитель в производстве резины и пластических металлов. Входит в состав тугоплавких стекол, глазурей, форфоровых масс. Из нее изготовляют искусственные драгоценные камни, босцветные и окрашенные.
TiO 2 - один из важнейших неорганических соединений, потребляемых современной промышленностью, уникальные свойства диоксида титана определяют уровень технического прогресса в различных секторах мировой экономики.
Диоксид титана пигментный является наиболее востребованным товаром на мировом рынке. Мировой объем его производства - 4,5 млн т.
Строение.
Оксид титана существует в виде нескольких модификаций. В природе встречаются кристаллы с тетрагональной сингонией (анатаз, рутил) и ромбической сингонией (брукит). Искусственно получены еще две модификации высокого давления - ромбическая IV и гексагональная V. Следует отметить, что брукит промышленно почти не производится и в природе встречается редко. Анатазная форма также существенно уступает по производству рутильной, так как хуже рассеивает свет и менее атмосферостойка.
Характеристики кристаллической решетки
При нагревании и анатаз, и брукит необратимо превращаются в рутил (температуры перехода соответственно 400-1000° C и около 750° C). Основой структур этих модификаций являются октаэдры TiO 6 , то есть каждый ион Ti 4+ окружен шестью ионами O 2- , а каждый ион O 2- окружен тремя ионами Ti 4+ . Октаэдры расположены таким образом, что каждый ион кислорода принадлежит трем октаэдрам. В анатазе на один октаэдр приходятся 4 общих ребра, в рутиле - 2.
Нахождение в природе.
В чистом виде в природе встречается в виде минералов рутила, анатаза и брукита (по строению первые два имеют тетрагональную, а последний - ромбическую сингонию), причем основную часть составляет рутил.
Третье в мире по запасам рутила месторождение находится в Рассказовском районе Тамбовской области. Крупные месторождения находятся также в Чили (Cerro Bianco), канадской провинции Квебек, Сьерра-Леоне.
Рутил или анатаз?
TiO 2 - встречается в природе трех основных кристаллических формах: антаз, рутил и брукит, последний в природе встречаются редко и коммерческого интереса не представляет. Рутильный диоксид примерно на 30% лучше рассеивает свет (лучше укрывистость), чем анатазный, поэтому последний используется гораздо реже. К тому же, анатаз менее атмосферостоек, чем рутил. Анатаз гораздо хуже работает в защите полимера (акрилата, пластмассы) от УФ лучей и приводит к фотокатализу (разрушению материала под воздействием солнечного света) и потере свойств полимера (происходит деструкция, выцветание, меление и т.д.). Таким образом, именно рутильная форма диоксида титана является единственным и безальтернативным белым пигментом в стандартных областях промышленности (краски, пластмассы, бумага) для придания белизны, укрывистости (кол-во пигмента в граммах, чтобы укрыть 1 кв. м. контрастной поверхности) и стабильности системе пигмент + носитель. Единственное обоснованное применение анатазного титана - это краски для дорожной разметки. В данном типе карски проявляются некоторые специфические свойства данной формы.
Свойства и технологии.
Диоксид титана широко применяется при производстве изделий из полимеров. Данный материал давно известен как отличный белый пигмент, и именно в этом качестве он знаком большинству людей…
Вместе с тем, диоксид титана привнес в полимерную промышленность не только возможность получать сверкающие белизной поверхности. По своей природе, диоксид титана является фотоактивным материалом, и как раз эта способность взаимодействовать со светом придает ему особую ценность. Так, например, подобное взаимодействие может принимать форму обычного рассеяния света, что обеспечивает непрозрачность материала, или форму поглощения энергии ультрафиолетового спектра света, что защищает полимер от деструкции под воздействием ультрафиолетового излучения. Эффект взаимодействия частиц диоксида титана со светом продолжает находить на практике все более широкое применение.
На фоне появления самых различных вариантов практического применения диоксида титана его пигментные свойства продолжают сохранять наипервейшую значимость. Диоксид титана считается в полимерной промышленности основным белым пигментом. Он широко используется, поскольку эффективно рассеивает видимый свет, придавая тем самым пластиковому продукту, в котором он содержится, белизну, яркость и непрозрачность. Вещество химически инертно, не растворяется в полимерах и отличается высокой термостойкостью при самых жестких условиях обработки. Промышленный диоксид титана поставляется в виде двух кристаллических модификаций, именуемых анатаз и рутил. При выборе между ними предпочтение отдается рутиловым пигментам, поскольку они лучше рассеивают свет, более устойчивы и в меньшей степени способствуют фотодеструкции.
Практически отсутствуют промышленно выпускаемые пигменты, изготавливаемые из чистого диоксида титана. Большинство из них имеют неорганическую, а в некоторых случаях органическую обработку, наносимую на поверхность частиц TiO 2 путем осаждения, механического перемешивания или каким-либо другим способом. Подобные способы поверхностной обработки приводят к улучшению одного, а то и нескольких эксплуатационных свойств пигмента, к которым можно отнести легкость диспергирования, устойчивость к атмосферным воздействиям или цветостойкость. Пока еще не найден универсальный способ поверхностной обработки, который бы позволял получать пигмент, максимально пригодный для любых практических применений, так что цель непрекращающихся исследований - продолжать разрабатывать новые марки диоксида титана, которые бы отвечали непрерывно изменяющимся требованиям индустрии пластмасс.
Светорассеивающие свойства: диоксид титана обеспечивает укрывистость путем рассеивания светаВ отличие от цветных пигментов, которые обеспечивают укрывистость за счет поглощения определенных длин волн видимого спектра света, диоксид титана и прочие белые пигменты достигают этого путем рассеивания света. Эффект рассеивания в этом случае возможен благодаря тому, что белый пигмент преломляет свет. Если в композиции достаточное количество пигмента, то весь свет, падающий на ее поверхность, за исключением малой части, которая поглощается полимером или пигментом, рассеется вовне, и композиция будет смотреться белой и непрозрачной. Рассеяние света сопровождается преломлением и дифракцией световых лучей при их прохождении через частицы пигмента или вблизи них.
Физические и термодинамическе свойства.
Чистый диоксид титана - бесцветные кристаллы, которые желтеют при нагревании, но обесцвечиваются после охлаждения. Известен в виде нескольких модификаций. Кроме рутила (кубическая сингония), анатаза (тетрагональная сингония) и брукита (ромбическая сингония), получены две модификации высокого давления: ромбическая IV и гексагональная V. Брукит при всех условиях метастабилен. При нагревании анатаз и брукит необратимо превращаются в рутил соответственно при 400-1000° С и ~750° С. Как в рутиле, так и в анатазе каждый атом Ti находится в центре октаэдра и окружен 6 атомами кислорода. Октаэдры расположены таким образом, что каждый ион кислорода принадлежит трем октаэдрам. В анатазе на 1 октаэдр приходятся 4 общих ребра, в рутиле - 2.
Вследствие более плотной упаковки ионов в кристалле рутила увеличивается их взаимное притяжение, снижается фотохимическая активность, увеличиваются твердость (абразивность), показатель преломления (2,55 - у анатаза и 2,7 - у рутила), диэлектрическая постоянная. Диоксид титана не растворяется в воде и разбавленных минеральных кислотах (кроме плавиковой) и разбавленных растворах щелочей.
Для технических целей применяется в раздробленном состоянии, представляя собой белый порошок. Гидроксид TiO 2 xnH 2 O в зависимости от условий его осаждения может содержать переменное число связанных с титаном ОН-групп. Полученный при невысоких температурах TiO 2 xnH 2 O (альфа-форма) хорошо растворяется в разбавленных минеральных и сильных органических кислотах, но практически не растворяется в растворах щелочей, легко пептизируется с образованием устойчивых коллоидных растворов. После сушки на воздухе образует белый порошок плотностью 2,6 г/см³, приближающийся по составу к формуле TiO 2 x2H 2 O (метатитановая кислота).
Диоксид титана широко применяется в качестве белого пигмента в лакокрасочной промышленности, в целлюлозно-бумажной промышленности, в производстве синтетических волокон, пластмасс, резиновых изделий, в производстве керамических диэлектриков, термостойкого и оптического стекла, белой эмали, в качестве компонента обмазки электродов для электросварки и покрытий литейных форм.
Температура плавления для рутила - 1870° C (по другим данным - 1850° C, 1855° C).
Температура кипения для рутила - 2500° C.
Плотность при 20° C:
для рутила 4,235 г/см³;
для анатаза 4,05 г/см³ (3,95 г/см³);
для брукита 4,1 г/см³.
Температура разложения для рутила 2900° C.
Температура плавления, кипения и разложения для других модификаций не указана, т.к. они переходят в рутильную форму при нагревании (см. выше).
Средняя изобарная теплоемкость C p (Дж/моль.К) Термодинамические свойства
Вследствие более плотной упаковки ионов в кристалле рутила увеличивается их взаимное притяжение, снижается фотохимическая активность, увеличиваются твердость (абразивность), показатель преломления (2,55 - у анатаза и 2,7 - у рутила), диэлектрическая постоянная.
Химические свойства.
Диоксид титана амфотерен, то есть проявляет как основные, так и кислотные свойства (хотя реагирует главным образом с концентрированными кислотами).
Медленно растворяется в концентированной серной кислоте, образуя соответствующие соли четырехвалентного титана:
TiO 2 + 2H 2 SO 4 → Ti(SO 4) 2 + 2H 2 O.
В концентрированных растворах щелочей или при сплавлении с ними образуются титанаты - соли титановой кислоты (амфотерного гидроксида титана TiO(OH) 2):
TiO 2 + 2NaOH → Na 2 TiO 3 + H 2 O.
То же происходит и в концентрированных растворах карбонатов или гидрокарбонатов:
TiO 2 + K 2 CO 3 → K 2 TiO 3 + CO 2 TiO 2 + 2KHCO 3 → K 2 TiO 3 + 2CO 2 + H 2 O.
C перекисью водорода дает ортотитановую кислоту:
TiO 2 + 2H 2 O 2 → H 4 TiO 4 + О 2 .
При нагревании с аммиаком дает нитрид титана:
2TiO 2 + 4NH 3 →(t) 4TiN + 6H 2 O + O 2 .
При сплавлении с оксидами, гидроксидами и карбонатами образуются титанаты и двойные оксиды:
TiO 2 + BaO → BaO.TiO 2
TiO 2 + BaCO 3 → BaO.TiO 2 + CO 2
TiO 2 + Ba(OH) 2 → BaO.TiO 2 + H 2 O.
При нагревании восстанавливается углеродом и активными металлами (Mg, Ca, Na) до низших оксидов. При нагревании с хлором в присутствии восстановителей (углерода) образует тетрахлорид титана. Нагревание до 2200° C приводит сначала к отщеплению кислорода с образованием синего Ti 3 O 5 (то есть TiO 2 .Ti 2 O 3), а затем и темно-фиолетового Ti 2 O 3 .
Гидратированный диоксид TiO 2 nH 2 O [гидроксид титана(IV), оксо-гидрат титана, оксогидроксид титана] в зависимости от условий получения может содержать переменные количества связанных с Ti групп ОН, структурную воду, кислотные остатки и адсорбированные катионы. Полученный на холоде свежеосажденный TiO 2 .nH 2 O хорошо растворяется в разбавленных минеральных и сильных органических кислотах, но почти не растворяется в растворах щелочей. Легко пептизируется с образованием устойчивых коллоидных растворов. При высушивании на воздухе образует объемистый белый порошок плотностью 2,6 г/см³, приближающийся по составу к формуле TiO 2 .2H 2 O (ортотитановая кислота). При нагревании и длительной сушке в вакууме постепенно обезвоживается, приближаясь по составу к формуле TiO 2 H 2 O (метатитановая кислота). Осадки такого состава получаются при осаждении из горячих растворов, при взаимодействии металлического титана с HNO 3 и т. п. Их плотность ~ 3,2 г/см³ и выше. Они практически не растворяются в разбавленных кислотах, не способны пептизироваться.
При старении осадки TiO 2 .nH 2 O постепенно превращается в безводный диоксид, удерживающий в связанном состоянии адсорбированные катионы и анионы. Старение ускоряется кипячением суспензии с водой. Структура образующегося при старении TiO 2 определяется условиями осаждения. При осаждении аммиаком из солянокислых растворов при рН
Оптические свойства.
Главное свойство титана как пигмента - придавать яркий белый цвет носителю, куда он вносится. Цвет определяется в системе цветов Lab, где L - яркость цвета, а - краснота/зелень, b - желтизна/голубизна. В этой системе можно задать любой цвет. Поскольку диоксид титана белый либо бело-желтый пигмент, то обычно указывается только координаты L и b. На цвет конечного продукта помимо основных параметров очистки также влияет размер частиц. Так, например, среднеразмерные и крупнорзамерные диоксиды титана (от 25 нм) показывают высокую укрывистость и кроющую силу при содержании пигмента в связующем 15-30%. Данная концентрация стандартная величина для большинства красок. При концентрации пигмента 10%, как например, в пластиках, мелкие частицы диоксида титана обеспечивают хорошую укрывистость и кроющую силу.
Научное обоснование феномена.
Так как рутиловые пигменты абсорбируют излучение в ультрафиолетовой и коротковолновой области света, то появляются незначительная нехватка отраженного коротковолнового синего света, что приводит к легкому желтому оттенку. Смещая гранулометрический состав пигмента в сторону более мелких частиц, можно компенсировать это эффект. Можно также получить голубоватый оттенок в серых и цветных красках за счет создания более узкого диапазона размера частиц.
Токсические свойства и физиологическое действие.
TLV (предельная пороговая концентрация, США): как TWA (среднесменная концентрация, США) 10 мг/м³ A4 (ACGIH 2001).
ООН - 2546.
Будучи химически инертным, диоксид титана является малоопасным веществом. В организм может поступать в виде аэрозоля при вдыхании или при приеме внутрь.
ПДК в воздухе рабочей зоны - 10 мг/м³ (1998).
Молекулярная масса: 79.9.
| Виды опасности | Симптомы | Предупреждение | Первая помощь |
| Пожарная опасность | Не горюче. | В случае возгорания в окрестностях: разрешены все средства пожаротушения. | |
| Взрывоопасность | Не допускать рассеивания пыли! | Смачивание поверхности. | |
| При вдыхании | Неприятные ощущения. | Местная вытяжная вентиляция или защита органов дыхания (фильтрующий респиратор P1). | Свежий воздух, покой. |
| При попадании на кожу | Ополоснуть и затем промыть кожу водой с мылом. | ||
| При попадании в глаза | Покраснение. | Защитные очки | Вначале промыть большим количеством воды в течение нескольких минут (снять контактные линзы, если это не трудно), затем доставить к врачу. |
| При проглатывании | Не принимать пищу, не пить и не курить во время работы. | Прополоскать рот. |
Пигменты диоксида титана рутильной и анатазной формы.
TiO 2 - полиморфен и встречается в трех основных кристаллических формах. Существуют три формы, анатаз (октаэдрит), рутил и брукит, последний в природе встречаются редко и, хотя эту форму и готовят в лабораториях, коммерческого интереса она не представляет.
Рутильный диоксид примерно на 30% лучше рассеивает свет (укрывистость), чем анатазный, поэтому последний используется гораздо реже. К тому же, анатаз менее атмосферостоек, чем рутил.
Анатаз гораздо хуже работает в защите полимера (акрилата, пластмассы) от УФ лучей и приводит к фотокатализу и потере свойств полимера (происходит деструкция, выцветание, меление и т.д.).
Пигменты диоксида титана производятся по двум технологическим схемам: сульфатный и хлорный способы. Обе, анатазная и рутильная формы диоксида титана, могут быть произведены любым из способов.
Технические характеристики.
Сульфатный способ был внедрен в промышленность в 1931 г., для производства анатазной формы диоксида титана, а позже, в 1941 г. - рутильной. В этом способе руда, содержащая титан (ильменит и др.), растворяется в серной кислоте, образуя растворы сульфатов титана, железа и других металлов. Затем, в ряде химических реакций, включающих в себя химическое восстановление, очистку, осаждение, промывание и кальцинацию, образовывая базовый диоксид титана с необходимым размером частиц. Строение кристаллов (анатазная или рутильная форма) контролируется в процессе ядрообразования и кальцинации.
Хлорный способ был изобретен в 1950 г. для производства рутильной формы диоксида титана. Титансодержащая руда вступает в реакцию с хлорным газом при пониженном давлении, в результате чего образуется тетрахлорид титана TiCl4 и примеси хлоридов других металлов, которые впоследствии удаляются. TiCl4 высокой степени чистоты затем окисляют при высокой температуре, в результате чего образуется диоксид титана.
Диоксид титана как оболочковый пигмент.
Результат помола TiO 2 + наполнитель: 
Оболочковый пигмент - композиционный материал, состоящий из частиц оптически нейтрального наполнителя покрытых слоем пигмента. Пигментный слой часто покрывается защитной пленкой для улучшения физических и химических характеристик.
Может быть получен при помощи обработки в механоактиваторах частиц наполнителя совместно с пигментом-цветоносителем, химическими модификаторами и поверхностно-активными веществами.
Состав белого оболочкового пигмента:
- наполнители: минералы природного или искусственного происхождения, например - волластонит, кальцит;
- пигмент: оксид титана;
- защитный слой: оксиды кремния, алюминия, циркония, церия и др.
Применение: Пигменты используются в лакокрасочной, строительной, полимерной, резинотехнической и других отраслях промышленности.
Области применения.
Диоксид титана используется в производстве широкого круга товаров различного назначения.
- Производство лакокрасочных материалов, в частности, титановых белил - 57% от всего потребления (диоксид титана рутильной модификации обладает более высокими пигментными свойствами - светостойкостью, разбеливающей способностью и др.), поскольку диоксид обладает отличными красящими свойствами. Это: краски (глянцевые, матовые и полуматовые, силикатные, кремнийорганические, порошковые, эмульсионные и с наполнителями для разнообразных строительных, ремонтных и промышленных работ, печати), лаки и эмали, смеси и растворы для грунтования, шпаклевки, штукатурки, цементирования, а также полиуретановые и эпоксидные покрытия, в том числе и для древесины. Диоксид, как и металл, белого цвета, поэтому используется он в качестве пигмента. Главное его достоинство - нетоксичность и безвредность. Кроме того, покрытия приобретают высокую стойкость к воздействиям ультрафиолета, не желтеют и практически не стареют.
- Более 20% объема производства двуокиси титана потребляется для изготовления пластических масс и изделий на их основе с высокими термическими свойствами (к примеру, оконный пластик, различная мебель, предметы быта, детали автомобилей, машин и техники), а также каучука, линолеума и резины. Здесь он выступает в роли наполнителя, обеспечивая стойкость изделий и поверхностей к изменениям светопогоды, сопротивление при смене среды, защиту от агрессивных факторов.
- Около 14% используется при производстве бумаги (белой, цветной, пропитанной), картона, обоев. Диоксид титана играет важную роль при пигментовании. Для придания бумаге гладкости, белости и высоких свойств при печати на поверхность наносят диоксид или его смеси с другими пигментами.
По различным прогнозам в ближайшее время наиболее высокими темпами будет расти потребление двуокиси титана для производства ламинированных сортов бумаги - примерно на 5-6% в год и пластмасс - 4%. При этом в производстве л/к материалов прирост хоть и будет, но в меньшей степени - всего 1,8-2% в год.
Другие области применения диоксида титана:
- Синтетические волокна и ткани: для матирования скрученного волокна.
- Косметика: для защиты от ультрафиолетовой радиации в солнцезащитных кремах, для придания высокого отбеливающего и укрывистостного заглушающего эффекта зубной пасте, мылу и т.д.
- Пищевая промышленность: для придания высокого отбеливающего и укрывистостного эффекта продуктам, для защиты цвета и упаковки (пластик) продуктов от ультрафиолетового излучения.
- Фармацевтическая промышленность: пигментный диоксид титана, высокой химической чистоты, для придания высокого отбеливающего и укрывистосного эффекта в фармацевтике.
- Печатная краска: для повышения стойкости покрытий к атмосферным воздействиям.
- Катализатор: диоксид титана может быть использован как катализатор, как фотокатализатор и как инертный базовый керамический материал для активных компонентов.
- Нанотехнологии: нанопорошки диоксида титана, использование диоксида титана для очистки воздуха в городах, бумага из нановолокна на основе диоксида титана, водородная энергетика и др.
- В производстве резиновых изделий, стекольном производстве (термостойкое и оптическое стекло), как огнеупор (обмазка сварочных электродов и покрытий литейных форм), в косметических средствах (мыло и т.д.), в пищевой промышленности (пищевая добавка E171).
Диоксид титана выступает в роли наполнителя, обеспечивая стойкость изделий и поверхностей к изменениям светопогоды, сопротивление при смене среды, защиту от агрессивных факторов.
Диоксид титана (двуокись) находит широчайшее применение как пигмент в лакокрасочной промышленности (титановые белила), в производстве бумаги, синтетических волокон, пластмасс, резиновых изделий, керамических диэлектриков, белой эмали, термостойкого и оптического стекла (в т.ч. для волоконной оптики), пищевых продуктов, лекарственных препаратов и косметических изделий (помады, лака для ногтей, тени для век и т.д.).
Двуокись титана входит в состав фарфоровых масс, тугоплавких стекол, керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.
Диоксид титана химической чистоты 99,9998% применяется при производстве оптоволоконных изделий, медицинского оборудования, в радиоэлектронной промышленности. При изготовлении сверхчистых стекол диоксид служит эталоном чистоты. Также он незаменим при выработке термостойкого и оптического стекла, как огнеупорное защитное покрытие при сварочных работах. При производстве керамики диоксид используется для придания максимальной белости черепку либо же эмали (ангобам).
Другие сферы использования: предохранение древесины (повышение атмосферостойкости с помощью оптической фильтрации вредной для древесины солнечной радиации), наполнение резины, стеклянных эмалей, стекла и стеклянной керамики, электрокерамики, очистка воздуха, сварочные флюксы, твердые сплавы, химические промежуточные соединения, материалы, содержащие диоксид титана, подходящих для использования при высоких температурах (например, противопожарная защита печей с форсированной тягой), аналитическая и опытная хроматография жидкостей.
Отдельно следует отметить диоксид титана чистотой 99,999% марки ОСЧ 7-5 (ТУ-б-09-01-640-84), который применяется в качестве эталона чистоты, в производстве оптически прозрачных стекол, в волоконной оптике, радиоэлектронике, для пьезокерамики, в медицинской промышленности и т.д. Это особо чистое химическое вещество, полученное методом термического гидролиза.
Для удовлетворения различных потребностей, описанных выше, TiO 2 применяют в различных фракциях, чьи характеристики специально адаптированы для соответствующего использования. В зависимости от применения, используют кристаллы различных форм (рутил и анатаз), размер частиц, а так же не и/или органическую обработку поверхностей.
Использование диоксида титана в лакокрасочных материалах (ЛКМ).
Вследствие очень высокой белизны тонкодисперсного диоксида титана он нашел широкое применение в качестве белого пигмента в лакокрасочной промышленности. В числе его преимуществ: нетоксичность, высокие оптические характеристики (способность к рассеиванию света), доступность, химическая инертность, атмосферостойкость и др. В далеком прошлом остались краски, приготовляемые с использованием цинковых или свинецсодержащих белых пигментов.
Итак, основной функцией диоксида титана в красках является придание им белого цвета. Есть, однако, у двуокиси титана TiO 2 и конкуренты в этом отношении. Это, прежде всего, мел и мраморный кальцит (CaCO 3). Оба этих пигмента тоже имеют белый цвет и по цене более доступны, чем диоксид титана. Именно поэтому большинство красок содержит не один пигмент, а их смесь.
В общем случае, чем больше диоксида титана в краске, тем она белее, тем выше ее укрывистость, но, обычно, и выше цена по сравнению с краской, где больше мела или мраморного кальцита и меньше диоксида титана. В соответствующей литературе можно встретить рекомендации по частичной замене двуокиси титана на тальк и окись алюминия. Впрочем, это тоже компромиссные решения, диктуемые экономическими соображениями.
Диоксид титана в пищевой промышленности.
Использование диоксида титана в пищевой промышленности очень многогранно. Двуокись титана (Е171) можно использовать практически в любых продуктах, которым для эстетического вида необходим белый цвет в дозировке 0,1 - 1%. О сферах использования мы зачастую узнаем от наших клиентов. Вот некоторые из них: карамель, жевательная резинка, сахар пудра и рафинад, лягушачьи лапки, курица, свиные и говяжьи языки, молочные поросята, мука, тесто, сахарная глазурь, джемы, молочные коктейли, брынза, сыворотка, сгущеное молоко, любая рыбо и морепродукция и т.д.
Применение в рыбоперерабатывающей промышленности: используется для отбеливания всех сортов рыбного фарша, филе, полуфабрикатов, сурими, паштетов и других продуктов (например кальмаров, мяса криля, рыбных отходов, крабовых палочек и пр.) при дозировке от 0,1 до 1%, в зависимости от степени отбеливания.
Окрашивание фарша:
Вносится в фарш на начальном этапе, лучше одновременно с фосфатами. В этом случае, кроме отбеливания, фарш сохранит влагу.
Окрашивание филе:
Для отбеливания филе, его погружают в водный раствор диоксида титана. Дозировка диоксида титана 25-50 гр на 100 кг объема (вода+сырье). В состав рассола должна входить соль (в небольшом количестве). Время выдержки в рассоле в среднем 20-30 минут. Для плохо поддающегося отбеливанию сырья диоксид титана развести в подходящей емкости небольшим количеством воды, хорошо перемешать, дать отстояться 40-60 минут и слить излишек воды. Филе погрузить в концентрированный рассол на 30-60 секунд, дать стечь излишкам раствора и слегка ополоснуть в промывочной емкости. Раствор пригоден для многократного использования в течение нескольких дней при условии добавления в него антисептиков, препятствующих развитию микрофлоры.
Технологии получения диоксида титана.
В зависимости от специфики строения кристаллической решетки диоксид титана в природе встречается в нескольких модификациях: кубическая сингония (рутил), тетрагональная сингония (анатаз) и реже - ромбическая сингония (брукит). При добывании в основном получают модификации анатаз и рутил двумя методами: сульфатным или хлоридным.
Пигментный диоксид титана (TiO 2) производится из титансодержащих концентратов хлоридным и сульфатным способами. По хлоридному способу (52% мировых мощностей по производству диоксида титана) рутил (природный или синтетический и так называемый «хлоридный» шлак) переводится в тетрахлорид титана TiCl 4 хлорированием в присутствии нефтяного кокса. В сульфатном процессе (48% мировых мощностей) ильменитовый концентрат или титановый шлак разлагается серной кислотой. Рутильный пигмент может изготавливаться любым способом, в то время как анатазный пигмент может изготавливаться только сульфатным способом. В тетрахлоридном методе TiCl 4 либо гидролизуют до гидроксида в жидкой фазе c последующей термообработкой выпавшего осадка, либо проводят гидролиз в парах воды, или же сжигают в токе кислорода.
Хлоридный метод проще сульфатного. Существуют три разновидности хлоридного метода получения диоксида. Соль титана гидролизируют в воде, а затем нерастворимый осадок гидроксида титана подвергают термическому воздействию для получения оксида титана. Можно проводить реакцию гидролиза при помощи водного пара и пара тетрахлоридной соли титана при температуре не ниже 1000 градусов, при этом диоксид приобретает свойства пигмента.
Третий способ состоит в сжигании хлорида титана в кислородной атмосфере.
Чаще всего исходным материалом для получения диоксида титана сульфатным методом служит ильменит - природная смесь различных оксидов, в основном четырехвалентного титана и трехвалентного ферума. При хлоридном методе исходным сырьем является хлоридная соль четырехвалентного металлического титана. Эти два метода позволяют добывать пигмент диоксид титана обеих модификаций.
Ильменитный метод состоит в обработке ильменитового концентрата серной кислотой. Полученный раствор сульфата титана (IV) очищают и обрабатывают раствором гидроксида натрия, в результате чего получается осадок гидроксида титана (IV). Осадок в дальнейшем подвергают термообработке.
Сульфатный метод был внедрен в производство в 1931 г., начавшись с выпуска анатазной формы Ti02, а позднее (1941 г.) было освоено изготовление рутила. При этой технологии руда, содержащая титан, растворяется в серной кислоте с образованием раствора сульфатов титана, железа и других металлов. Затем в результате выполнения последовательности операций, включающих химическое восстановление, очистку, осаждение, промывку и прокаливание, получают промежуточные фракции TiO 2 пигментного размера. Кристаллическая структура - анатаза или рутила - контролируется на этапах образования ядер кристаллизации и последующего прокаливания.
FeTiO 3 + 2H 2 SO 4 → TiOSO 4 + FeSO 4 + 2H 2 O TiOSO 4 + H 2 O → TiO 2 + H 2 SO 4 .
Хлоридный метод был разработан и внедрен в производство компанией DuPont в 1948 г., когда и начался выпуск рутильной модификации TiO 2 . Данный технологический процесс построен на двух высокотемпературных безводных парофазных реакциях. В условиях восстановления титановая руда взаимодействует с газообразным хлором с получением хлористого титана и побочных хлоридов других металлов, которые впоследствии отделяются. После этого прошедший тонкую очистку TiCI 4 окисляется при высокой температуре с получением промежуточной двуокиси титана высокой яркости. На этапе окисления в рамках хлорирования имеется возможность жестко контролировать распределение частиц по размерам, а также тип кристалла, что позволяет получать диоксид титана с отличными показателями по кроющей и разбеливающей способностям.
2FeTiO 3 + 7CI 2 + ЗС → 2TiCI 4 + 2FeCI 3 + 3CO 2 TiCI 4 + O 2 → TiO 2 + 2CI 2 .
В обоих технологических процессах - сульфатном и хлоридном - промежуточными продуктами являются скопления кристаллов TiO 2 пигментного размера, которые должны быть разделены (размельчены) для получения оптимальных оптических характеристик. В зависимости от требований конечного пользователя для модификации TiO 2 используются различные методы обработки, включая осаждение оксидов кремния, алюминия, циркония или цинка на поверхность пигментных фракций. С целью оптимизации рабочих характеристик для конкретных применений могут использоваться специальные методы обработки оксидами в водных или безводных средах или их различные комбинации. Кроме того, с помощью различных методов могут наноситься органические добавки с целью улучшения отдельных характеристик пигмента.
Важнейшим моментом для производства диоксида титана является поставка титановой руды. Хотя титан входит в десятку самых распространенных химических элементов на Земле, в природе он распространен в очень малых концентрациях. Так что для организации эффективной поставки титановой руды, которая смогла бы удовлетворить экономические потребности производства TiO 2 , необходимо внедрять рациональные методы добычи и обогащения этого минерала.
Производство хлорное или сульфатное?
Пигменты двуокиси титана производятся по двум технологическим схемам: сульфатный и хлорный способы. Обе, анатазная и рутильная формы диоксида титана, могут быть произведены любым из способов. Мировые мощности по производству диоксида титана хлорным способом превышают мощности сульфатного, и продолжают расти. Различия в техпроцессе заключаются в различных типах вещества для очистки титановой руды. При очистке серной кислотой (сульфатный процесс), частички примесей титановой руды образуют с серной кислотой соли, которые сложно в дальнейшем вычистить. При очистке хлором происходит сгорание примесей и конечный продукт получается более белым при прочих равных условиях.
Производство из ильменитового концентрата.
Исходным сырьем при производстве диоксида титана является ильменитовый концентрат.Ильменит - это руда, которая с химической точки зрения представляет собой смесь оксидов, большую часть из которых составляют оксиды титана и железа. Сульфатная технология производства двуокиси титана основана на обработке ильменита серной кислотой.
1). Ильменит измельчают, высушивают, а затем разлагают в концентрированной серной кислоте. Полученный плав титанилсульфата охлаждают и разбавляют водой до определенной концентрации. Затем восстанавливают в растворе титанилсульфата трехвалентное железо до двухвалентного. Полученный раствор отстаивают и подают на черную фильтрацию. В отфильтрованном растворе при охлаждении выкристаллизовывают железный купорос и отделяют его от маточного раствора на центрифугах. Далее раствор титанилсульфата упаривают до стандартной концентрации и отправляют его на гидролиз.
Во время следующего процесса, гидролиза, выделяются аморфные хлопья гидрата диоксида титана. Полученную пульпу гидрата диоксида титана подвергают фильтрации в две стадии, на которых осуществляется ее отмывка от хромофорных примесей и отбеливание. После добавления необходимых компонентов пасту гидрата диоксида титана прокаливают в прокалочных печах. В процессе прокаливания отщепляется гидратированная влага и полученной диоксида титана придаются пигментные свойства. Прокаленный продукт измельчается в две стадии и передается на поверхностную обработку. Поверхностную обработку ведут определенными химическими веществами для придания пигментному диоксиду титана определенных потребительских свойств. Обработанный пигментный диоксид титана сушат и передают на микроизмельчение. Измельченный готовый продукт упаковывают и передают на склад.
2). Технология производства состоит из трех этапов:
- Получение растворов сульфата титана (путем обработки ильменитовых концентратов серной кислотой). В результате получают смесь сульфата титана и сульфатов железа (II) и (III), последний восстанавливают металлическим железом до степени окисления железа +2. После восстановления на барабанных вакуум-фильтрах отделяют растворов сульфтов от шлама. Сульфат железа (II) отделяют в вакуум-кристаллизаторе.
- Гидролиз раствора сульфатных солей титана. Гидролиз проводят методом введения зародышей (их готовят осаждая Ti(OH) 4 из растворов сульфата титана гидроксидом натрия). На этапе гидролиза образующиеся частицы гидролизата (гидратов диоксида титана) обладают высокой адсорбционной способностью, особенно по отношению к солям Fe3+, именно по этой причине на предыдущей стадии трехвалентное железо восстанавливается до двухвалентного. Варьируя условия проведения гидролиза (концентрацию, длительность стадий, количество зародышей, кислотность и т. п.) можно добиться выхода частиц гидролизата с заданными свойствами, в зависимости от предполагаемого применения.
- Термообработка гидратов диоксида титана. На этом этапе, варьируя температуру сушки и используя добавки (такие, как оксид цинка, хлорид титана и используя другие методы можно провести рутилизацию (то есть перестройку оксида титана в рутильную модификацию). Для термообработки используют вращающиеся барабанные печи длиной 40-60 м. При термообработке испаряется вода (гидроксид титана и гидраты оксида титана переходят в форму диоксида титана), а также диоксид серы.
Диоксид титана. Свойства, применение. Способы получения.
Чистый диоксид титана (TiO2) - это бесцветное твердое кристаллическое вещество. Несмотря на бесцветность, в больших количествах диоксид титана чрезвычайно эффективный белый пигмент, если он хорошо очищен. TiO2 практически не поглощает никакого падающего света в видимой области спектра. Свет или передается, или преломляется через кристалл или же отражается на поверхностях.
TiO2 - это стабильное (самый стабильное из всех известных белых пигментов), нелетучее, нерастворимое в кислотах, щелочах и растворах при нормальных условиях вещество. Диоксид титана отличается высокой реакционной устойчивостью к различным соединениям, в том числе и к токсичным, содержащимся в воздушной среде. Из-за своей инертности, диоксид титана не токсичен и, в общем, считается очень безопасным веществом. Он может контактировать с продуктами в упаковке, а в определенных концентрациях его можно использовать и как пищевой краситель.
TiO2 - полиморфен и встречается в трех основных кристаллических формах. Существуют три формы, анатаз (октаэдрит), рутил и брукит, последний в природе встречаются редко и, хотя эту форму и готовят в лабораториях, коммерческого интереса она не представляет.
Рутильный диоксид примерно на 30% лучше рассеивает свет (укрывистость), чем анатазный, поэтому последний используется гораздо реже. К тому же, анатаз менее атмосферостоек, чем рутил. Анатаз гораздо хуже работает в защите полимера (акрилата, пластмассы) от УФ лучей и приводит к фотокатализу и потере свойств полимера (происходит деструкция, выцветание, меление и т.д.).
Рассеивающая способность
способность пигмента к отражению света видимой части спектра определенных длин волн. Этот показатель у диоксида титана напрямую зависит от диаметра частиц TiO2. При размере частиц 0,2 мкм сумма рассеянного света для всех длин волн максимальна. При увеличении размера частицы от 0,25 до 0,3 мкм рассеивание голубого света быстро понижается. Но рассеивание зеленого и красного практически не меняется. Тем не менее, при диаметре частиц 0,15 мкм наблюдается максимальное рассеивание синего, в то время, как рассеивание красного и зеленого значительно ниже.
Маслоемкость
это способность частиц пигмента удерживать на своей поверхности определенное количество масла. Выражается она в граммах на 100 грамм пигмента и колеблется обычно от 10 до 20.
Укрывистость
способность пигмента при равномерном распределении в объеме делать невидимым цвет исходного материала. Укрывистость выражается в граммах пигмента, необходимого для того, чтобы сделать невидимым цвет поверхности площадью 1 м2. Белые пигменты обеспечивают укрывистость путем рассеивания световой волны любой длины видимого спектра. Чем меньше будет этот показатель, тем ниже расходная норма диоксида титана в композиции.
Цвет
свойство тел вызывать определенное зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом и интенсивностью отражаемого или испускаемого ими видимого излучения. Сухой диоксид титана характеризуется высокой яркостью, белизной и его отражающая способность близка к отражающей способности идеального диффузора.
Светостойкость
свойство материала сохранять свой цвет под воздействием световых лучей. В процессе эксплуатации изделия, особенно наружного применения, изменяют свой первоначальный цвет под воздействием ультрафиолетовых лучей естественного света и источников искуственного освещения, излучающих ультрафиолетовые лучи.
Атмосферостойкость
свойство полимерных композиций сопротивляться разрушающему действию солнечных лучей, дождя, мороза, снега, ветра и других атмосферных факторов (например, газов и пыли, загрязняющих нижние слои атмосферы).
Обработка поверхности необходима для увеличения устойчивости к внешним воздействиям. Неорганическая (Al2O3, SiO2) увеличивает стойкость частиц диоксида титана к кислотному воздействию, которое может приводить к разрушению частиц пигмента. Органическая обработка улучшает распределение частиц пигмента в объеме композиции.
Физические свойства диоксида титана
Чистый диоксид титана представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, желтеющее при нагревании. В тонкораздробленном состоянии - белый порошок. Практически не растворяется в воде и минеральных кислотах, кроме плавиковой и концентрированной серной. Температура плавления для рутила: 1870°C. Температура кипения для рутила: 2500°C. Плотность при 20°C для рутила: 4,235 г/см3.
Химические свойства диоксида титана
Диоксид титана является амфотерным оксидом, то есть проявляет как кислотные, так и основные свойства.
Медленно реагирует с концентрированной серной кислотой, растворяясь в ней с образованием соответствующего сульфата:
TiO2+ 2H2SO4 = Ti(SO4)2 + 2H2O
Также диоксид титана постепенно растворяется в концентрированных растворах щелочей, например, в гидроксиде натрия, образуя титанаты (производные титановой кислоты):
TiO2 + 2NaOH = Na2TiO3+ H2O
При нагревании диоксида титана в атмосфере аммиака образуется нитрид титана:
4TiO2 + 4NH3 = 4TiN + 6H2O + O2
Сильными восстановителями, например, активными металлами (Ca, Mg, Na), углеродом или водородом при высокой температуре диоксид титана восстанавливается до низших оксидов. При нагревании с углеродом в атмосфере хлора образуется тетрахлорид титана TiCl4 - этот прием используется в промышленном масштабе для очистки титана от различного рода примесей.
Токсические свойства диоксида титана
Будучи химически инертным, диоксид титана является малоопасным веществом. В организм может поступать в виде аэрозоля при вдыхании или при приеме внутрь.
Области применения
Лакокрасочные материалы:
декоративные, архитектурные краски; эмульсионные полуматовые краски; эмульсионные глянцевые краски; грунтовки, подложки, шпаклевки; краски на основе растворителя – глянцевые; штукатурные растворы; силикатные краски; покрытия для древесных материалов; цементный штукатурный раствор; краски промышленного назначения; штукатурка на основе синтетических смол; полимерные покрытия; краски для ремонтных работ; мелкозернистые порошковые краски; уф / uv - отверждаемые краски; краски, отверждаемые кислотным отвердителем; порошковые покрытия; полиуретановые покрытия; эпоксидные покрытия; краски для дорожной разметки; краски для судовых покрытий; высоконаполненные краски; электроосаждаемые краски; печатные краски.
Пластики:
высокопрочный поливинилхлорид (для помещений); резина; термопластмасса; термореактивный пластик; пластмассы на основе ненасыщенных полиэфиров; эластомеры, каучук; покрытия для пола (линолеум)
Бумага и картон:
бумажные покрытия; обои; парафиновая бумага; цветная бумага
Синтетические волокна / ткани:
для матирования скрученного волокна
Косметика:
зубная паста, мыло и пр.
Пищевая промышленность:
карамель, жевательная резинка, сахар пудра и рафинад, лягушачьи лапки, курица, свиные и говяжьи языки, молочные поросята, мука, тесто, сахарная глазурь, джемы, молочные коктейли, брынза, сыворотка, сгущенное молоко, любая рыбо- и морепродукция и т.д.
Фармацевтическая промышленность:
пигментный диоксид титана, высокой химической чистоты, для придания, высокого отбеливающего и укрывистосного эффекта в фармацевтике.
Печатная краска:
для повышения стойкости покрытий к атмосферным воздействиям
Катализатор:
диоксид титана может быть использован как катализатор, как фотокатализатор и как инертный базовый керамический материал для активных компонентов.
Другие сферы использования:
предохранение древесины (повышение атмосферостойкости с помощью оптической фильтрации вредной для древесины солнечной радиации), наполнение резины, стеклянных эмалей, стекла и стеклянной керамики, электрокерамики, очистка воздуха, сварочные флюксы, твердые сплавы, химические промежуточные соединения, материалы, содержащие диоксид титана, подходящих для использования при высоких температурах (например, противопожарная защита печей с форсированной тягой), аналитическая и опытная хроматография жидкостей, декоративный бетон (для придания белизны цементной краске)
Основные применения диоксида титана:
производителей лакокрасочных материалов, в частности, титановых белил - 57 % от всего потребления (диоксид титана рутильной модификации обладает более высокими пигментными свойствами - светостойкостью, разбеливающей способностью и др.)
производство пластмасс - 21 %
производство ламинированной бумаги - 14 %
Другие применения диоксид титатана - в производстве резиновых изделий, стекольном производстве (термостойкое и оптическое стекло), как огнеупор (обмазка сварочных электродов и покрытий литейных форм), в косметических средствах (мыло и т. д.), в пищевой промышленности (пищевая добавка E171).
Диоксид титана может быть использован для изготовления солнечных батарей - превращения солнечного света в электроэнергию; для производства водорода; в сфере электроники для псевдоконденсаторов и т.д.
Способы получения
Пигменты диоксида титана существует в двух формах - анатазная и рутильная и производятся по двум технологическим схемам: сульфатный и хлорный способы.
По сравнению с сульфатным хлоридный способ является более экологически чистым и совершенным благодаря возможности осуществлять процесс в непрерывном режиме, что предполагает полную автоматизации производства. Однако он избирателен к сырью, а в связи с использованием хлора и высоких температур требует применения коррозионностойкого оборудования.
Хлорный метод:
Хлорный метод получения диоксида титана заключается в том, что исходным сырьем (полуфабрикатом) служит тетрахлорид титана. Из него диоксид титана можно получать методом гидролиза или сжиганием при высокой температуре. Тетрахлорид титана гидролизуется при нагревании водных растворов, либо в газовой фазе под действием паров воды.
Сульфатный метод:
Технология производства состоит из трёх этапов:
получение растворов сульфата титана (путём обработки ильменитовых концентратов серной кислотой). В результате получают смесь сульфата титана и сульфатов железа (II) и (III), последний восстанавливают металлическим железом до степени окисления железа +2. После восстановления на барабанных вакуум-фильтрах отделяют растворов сульфатов от шлама. Сульфат железа(II) отделяют в вакуум-кристаллизаторе.
гидролиз раствора сульфатных солей титана. Гидролиз проводят методом введения зародышей (их готовят осаждая Ti(OH)4 из растворов сульфата титана гидроксидом натрия). На этапе гидролиза образующиеся частицы гидролизата (гидратов диоксида титана) обладают высокой адсорбционной способностью, особенно по отношению к солям Fe3+, именно по этой причине на предыдущей стадии трёхвалентное железо восстанавливается до двухвалентного. Варьируя условия проведения гидролиза (концентрацию, длительность стадий, количество зародышей, кислотность и т. п.) можно добиться выхода частиц гидролизата с заданными свойствами, в зависимости от предполагаемого применения.
термообработка гидратов диоксида титана. На этом этапе, варьируя температуру сушки и используя добавки (такие, как оксид цинка, хлорид титана и используя другие методы можно провести рутилизацию (то есть перестройку оксида титана в рутильную модификацию). Для термообработки используют вращающиеся барабанные печи длиной 40-60 м. При термообработке испаряется вода (гидроксид титана и гидраты оксида титана переходят в форму диоксида титана), а также диоксид серы.
Добыча диокисд титана
В последние годы чрезвычайно быстро растет производство диоксида титана в Китае.
В России пигментный диоксид титана не производят, но производят технические марки, используемые в металлургии. На территории СНГ диоксид титана производится на Украине предприятиями «Сумыхимпром», город Сумы, «Крымский титан», г. Армянск) и КП «Титано-магниевый комбинат» (г. Запорожье). Сумский государственный институт минеральных удобрений и пигментов (МИНДИП) в своих научно-исследовательских работах особое место уделяет технологиям получения оксида титана (IV) сульфатным способом: исследование, разработка новых марок, модернизация технологии и аппаратурного оформления процесса.
Нахождение в природе
В чистом виде в природе встречается в виде минералов рутила, анатаза и брукита (по строению первые два имеют тетрагональную, а последний - ромбическую сингонию), причём основную часть составляет рутил.
Третье в мире по запасам рутила месторождение находится в Рассказовском районе Тамбовской области. Крупные месторождения находятся также в Чили (Cerro Bianco), канадской провинции Квебек, Сьерра-Леоне.