خواص فیزیکی و شیمیایی تیتانیوم دی اکسید

خواص فیزیکی و شیمیایی تیتان

برای بهتر شدن بعضی خواص عملی و کارایی دی اکسید تیتانیوم (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 می شود. این عملیات شامل رسوب دادن مواد فوقاز محلول نمکهای مربوطه بر روی سطح ذرات رنگدانه می باشد که پس از آن عملیات شستشو و خشک کردن انجام می گیرد. عملیاتی که روی سطح رنگدانه انجام می شود سبب کاهش فعالیت کاتالیزوری سطح رنگدانه می گردد، که در مورد روتیل فعالیت کاتالیزوری سطح خیلی کم است.

مقدار نسبی اکسیدهای مصرفی و مقداری که برای پوشش دار کردن سطح رنگدانه بکار می رود، بستگی به نوع کاربرد روتیل دارد، مثلا ً آیا در رنگهای نهایی براق تزئینی، مصرف می شود، یا لعابهای کوره ای صنعتی، یا رنگهای امولسیونی و غیره. مقدار دی اکسید تیتانیوم موجود در رنگدانه ای که عملیات بهبودسازی سطح بر روی آن انجام شده است می تواند بین 95-90% متغیر باشد.

خواص دی اکسید تیتانیوم

در میان رنگدانه های سفید، دی اکسید تیتانیوم دارای قدرت پوشانندگی بیشتر وهمرنگ کنندگی بهتری می باشد و به همین علت به عنوان رنگدانه سفید بیشترین مصرف را به خود اختصاص داده است. این رنگدانه غیر رسمی است و در مقابل حلال هایی که در رنگ بکار می روند مقاوم است و پایداری حرارتی خوبی هم دارد. همچنین پایداری شیمیایی آن خوب است، و تنها در اسید سولفوریک غلیظ حل می شود که سرعت واکنش خیلی کم است.

این رنگدانه در دو نوع آناتاز و روتیل وجود دارد. ساختمان کریستالی هردو یکسان است اما وزن مخصوص آناتاز کمتر از وتیل می باشد که به علت فاصله بیشتر بین اتمهای تیتانیوم و اکسیژ است. هر دو نوع رنگدانه زمانی که در معرض اشعۀ فرا بنفش قرار می گیرند به شدت آن را جذب می کنند. نوع آناتاز در اثر جذب اشعه شدیدا ً تحریک می شود و فعالیت کاتالیستی سطحی زیادی از خود نشان می دهد، اما، تهیج و فعالیت کاتالیستی نوع روتیل بسیار کم بوده و بیشتر انرژی جذب شده را به صورت گرما از دست می دهد.

خصوصیات فیزیکی بلورهای روتیل و آناتاز در جدول زیر خلاصه شده است

گچی شدن یا سفیدک زدگی

زمانی که در اثر تجزیۀ لایۀ سطحی رنگپایه، رنگدانه ای آزاد (بدون اتصال شیمیایی) به وجود بیایند، این پدیده مشاهده می شود. در این صورت در اثر ساییدن نوک انگشت روی سطح رنگ، رنگدانه به صورت پودر سفید یا گچ جدا می گردد.

این پدیده در فیلم رنگ محتوی آناتاز یا روتیل، بعد از مدتی که در مجاورت اتمسفر قرار می گیرد، اتفاق می افتد. گچی شدن در نوع آناتاز سریعتر از نوع روتیل می افتد و تخریب فتو شیمیایی فیلم شدیدتر از نوع روتیل انجام میگیرد. در واقع نوع روتیل، بخصوص نوعی که فرایند سطحی روی آن انجام شده، مقاومت بهتری در برابر گچی شدن نشان می دهد، به همین علت نوع روتیل در رنگهای رویه بیرونی بکار می رود. البته باید در نظر داشت که نوع رزین مصرفی در تمایل رنگ به گچی شدن مؤثر است.

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

تخریب لایۀ سطحی رزین که منجر به گچی شدن فیلم رنگ می شود، به علت آن است که در مجاورت دی اکسید تیتانیوم سرعت اکسیداسیون افزایش می یابد. در این اکسیداسیون دی اکسید تیتانیوم نقش کاتالیزور را بازی می کند که نوع آناتاز بسیار فعالتر از نوع روتیل است. تحقیقات انجام شده نشان می دهد که آناتاز اکشیژن بیشتری را نسبت به روتیل جذب می کند. چنین تصور می شود که در لایۀ فیلم رنگ هم اکسیژن و هم بعضی از اجزای رنگپایه یر روی سطح شدۀ دی اکسید تیتانیوم جذب می شوند، و چون جذب مواد اولیه بر روی سطح یک جامد عموما ً منجر به کاهش انرژی فعالیت واکنش می گردد، بنابراین عمل فوق باعث تسریع اکسیداسیون لایه رنگ میشود. دانشمندانی که بر روی این مسئله تحقیق کرده اند، اظهار می دارند که وقتی دی اکسید تیتانیوم در اثر جذب اشعه فرابنفش تحریک می شود،واکنش های انتقال الکترون بین اکسیژن و آب اتفاق می افتد و موجب بوجود آمدن مواد اکسید کننده می گردد.

اگرچه اکسایش رنگپایه و تخریب بعدی آن ممکن است بر روی سطح دی اکسید تیتانیوم انجام گیرد، اما این عمل در سرتاسر سطح لایه رنگپایه، که حتی بخش اعظم آن اصلا ً در تماس با رنگدانه نیز نیستند، اتفاق می افتد. چنین به نظر می رسد که این عمل بدین خاطر است که بعضی از ذرات پلیمری که در روی سطح دی اکسید تیتانیوم اکسید شده اند به سایر نقاط لایه رنگ نفوذ کرده و به اکسایش سایر مولکولها کمک می کنند و یا احتمالا ً موجب یک سری واکنشهای زنجیره ای با مکانیزم رادیکال آزاد یا فعال سازی می گردند.

موارد استفاده دی اکسید تیتانیوم

زمانی که در رنگی رنگدانه سفید لازم است، معمولا ً از دی اکسید تیتانیوم استفاده می شود. نوع روتیل در رنگهای تزئینی، رنگهای براق صنعتی، رنگهای تزئینی نیمه براق، رنگهای نهایی مات و پوست تخم مرغ، رنگهای دریایی، آستری ها و رنگهای امولسیونی برای مصارف داخلی و خارجی بکار میرود.

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

شناسایی دی اکسید تیتانیوم

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

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

سمی بودن دی اکسید تیتانیوم

این رنگدانه غیر سمی است اما ذرات حاصل از حمل و نقل آن آزار دهنده می باشد.

موارد مصرف TiO2