تیتان (دی اکسید تیتانیوم)

ماده حجیم Tio2 در سه نوع کلی روتایل، آناتاز و بروکیت وجود داد. در میان آن ها ،Tio2 بیشتر به صورت فازهای روتایل و آناتاز یافت می شود که هر دوی آن ها ساختارهای تتراگونال دارندرنگدانه تیتان از قدیمی ترین رنگدانه های پوششی محسوب می شود ایلمنت در حقیقت تیتانات آهن دو ظریفتی است که بسیاری از نقاط دنیا از جمله هندوستان و نروژ، آمریکا، کاناداو سوئد یافت می شود.

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

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

معرفی و توسعه دی اکسید تیتانیم درسراسر قرن بیستم امکان تولید پوشش هایی 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 فن آوریهای متعددی به منظور استفاده بهینه از دی اکسید تیتانیم و کاهش مقدار مصرف آنها، با حفظ خصوصیات کاربردی پوشش معرفی شده و توسعه یافته اند.

در مدتی بیش از 30 سال سازندگان پر کننده ها، تولیدات خود را گسترش و استفاده از این مواد را به عنوان روشی در صرفه جویی در مصرف دی اکسید تیتانیم معرفی نموده اند.

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

پیگمان دی اکسید تیتانیم سفید ترین پیگمان سفید بوده که بعلت 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 بعنوان 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 بعلت میل گچ شوندگی توصیه نمی‌گردد.

رنگدانه دی اکسید تیتان فوق العاده غیر فعال بوده و بعلاوه 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 می باشد.

بعلاوه در اثر برخورد با گاز ئیدروژن سولفوره و دیگر گازها ئیکه در جو میباشند بیرنگ نمیشود، از موارد مصرف تیتان صنایع رنگ سازی، کاغذ سازی، 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 توهم تر( چگالتر) از نوع آناتاز میباشند بنابراین فرم یا حالت روتایل بسیار ثابت تر بوده و در نتیجه چنین آرایش مولکولی فرم آناتاز برنگ سفید مایل به آبی و نوع روتایل برنگ سفید مایل به زرد می‌باشد.

رنگدانه های سفید بجز تیتان از قدیمی ترین رنگدانه های 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.

رنگدانه های سفید سربی عبارتند از کربنات، سولفات و سیلیکات بازی سرب و از دیگر رنگدانه های سفید میتوان اکسیدروی، 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 می بایستی 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 رنگدانه های سفید فقط کربنات بازی سرب و اکسید روی هستند که خصلت واکنش پذیری با اسیدهای موجود در بعضی از رزینها را دارند و بقیه رنگدانه های سفید بی اثرند.

نتیجه واکنش این رنگدانه ها با اسیدهای چرب آزاد موجوددر بعضی از رزینها، صابون و یانمک روی و سرب خواهد بود که اثرات جانبی منفی از قبیل طولانی تر 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 می آیند.

تولیدات حاصل از واکنش دو رنگدانه سفید واکنش پذیر فوق الذکر 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 می نمایند، 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 می گیرد که این تغییر حالت ناشی از ایجاد پراکسیدی است که بر اثر واکنش اکسیداسیونی بند دو گانه رزین های روغنی به وجود می آید. بنابراین استفاده از حدود 10 درصد اکسید روی همراه دیگر پیگمانهای سفید، بعلت جذب اشعه های نورانی نور خورشید، نه تنها زرد گرائی فیلم را بکلی از بین خواهد برد و یا حتی المقدور کاهش میدهد و بلکه همچنین از فاسد شدن فیلم نیز جلوگیری بعمل خواهد آورد.

اگر سطوحی که با رنگ محتوی رنگدانه سفید سربی رنگ آمیزی شده اند را در هوای آزاد آغشته به گاز ئیدروژن سولفوره قرار دهید، بر اثر تولید سولفید سرب (pbs) که سیاهرنگ هست سیاه می گردند 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 سفید رنگ می باشد 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 برس خوری بهتر استفاده میشود و اما از آنجائی که سمی می باشند در ساخت رنگهای مصرفی بر سطوح داخلی استفاده نمیگردند.

روش تهیه تیتانیوم دی اکسید

روش سولفات

در این روش ایلمنیت به عنوان ماده خام بکار می رود، پس از خرد کردن سنگ معدن، مواد همراه آن جدا می گردد، پس از آسیاب کردن، خشک و سپس در اولئوم حل می شود که این واکنش آرام است، در حالی که با اسید سولفوریک غلیظ واکنش شدید می باشد.

محلول اولئوم بتدریج با اسید سولفوریک و سپس با آب رقیق می گردد. در اثر این عمل، محلولی از سولفات تیتانیوم، سولفات فرو سولفات فریک همراه با سیلیس غیر محلول بدست می آید.

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

سپس محلول را جدا می کنند و پس از صاف کردن به دستگاه تبخیر در خلاء انتقال می دهند. بدین ترتیب سولفات فرو به صورت کریستال جدا می شود.

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

شرایط عمل هیدرولیز باید دقیقاً کنترل شود. رسوب هیدروکسید با آب کاملاً شسته می شود 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 می کنند.

در این روش تیتانیوم دی اکسید نوع آناتازتهیه می شود . نوع روتیل از طریق وارد کردن ذرات روتیل (نشاندن ذرات روتیل در درون ذرات هیدروکسید تیتانیوم) یا فزودن نمک روی قبل از مرحله هیدرولیز، تهیه می گردد.

روش کلراید

در این روش گاز کلردر دمای 900 درجه سانتی گراد از روی مخلوط سنگ معدن روتیل و زغال کک عبور داده می شود، سنگ معدن روتیل 96-95% اکسید تیتانیوم دارد و واکنش زیر انجام می گیرد:

تتراکلرید تیتانیوم فرار است ولی با کلرید فریک، که به علت وجود ناخالصیهای آهن در سنگ معدن تشکیل می شود، مخلوط می گردد. در هنگام سرد کردن گازها، کلرید فریک در دمای بالاتر از نقطه جوش تتراکلرید تیتانیوم به مایع تبدیل می شود.

تتراکلرید تیتانیوم با سرد کردن بیشتر به مایع تبدیل و بوسیله تقطیر خالص می گردد.تتراکلرید تیتانیوم در حرارت 1000 درجه سانتی گراد در مجاورت اکسیژن می سوزد که در اثر اکسید شدن آن تیتانیوم دی اکسید بدست می آید.

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 می شود که همزمان اکسیده می گردد.

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

با کنترل دقیق فرایند اکسیداسیون، تیتانیوم دی اکسید خالص تری بدست می آید که در نتیجه رنگ آن کاملاً سفید و اندازه ذرات آن تقریباً یکسان است.

عملیات بهبود سازی 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 می شود این عملیات شامل رسوب دادن مواد فوق از 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 می شود.

مقدار نسبی اکسیدهای مصرفی و مقداری که برای پوشش دار کردن سطح رنگدانه بکار می رود، بستگی به نوع کاربرد روتیل دارد، مثلاً آیا در رنگهای نهایی براق تزئینی، مصرف می شود، یا لعابهای کوره ای صنعتی، یا رنگهای امولسیونی و غیره.

مقدار تیتانیوم دی اکسید موجود در رنگدانه ای که عملیات بهبود سازی سطح بر روی آن انجام شده است می تواند بین 95-90% متغیر باشد.

خواص تیتانیوم دی اکسید

در میان رنگدانه های سفید، تیتانیوم دی اکسید دارای قدرت پوشانندگی بیشتر و همرنگ کنندگی بهتری می باشد 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 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 هر دو یکسان است اما وزن مخصوص آناتاز کمتر از روتیل می باشد که به علت فاصله بیشتر بین اتمهای تیتانیوم و اکسیژن است.

هر دو نوع رنگدانه زمانی که در معرض اشعه فرابنفش قرار می گیرند به شدت آن را جذب می کنند. نوع آناتاز در اثر جذب اشعه شدیداً تحریک می شود و فعالیت کاتالیستی سطحی زیادی از خود نشان میدهد، اما، تهییج و فعالیت کاتالیستی نوع روتیل بسیار کم بوده، و بیشتر انرژی جذب شده را به صورت گرما از دست می دهد.

گچی شدن یا سفیدک زدگی

زمانی که دراثر تجزیه لایه سطحی رنگ پایه، رنگدانه های آزاد (بدون اتصال شیمیایی) به وجود بیایند، این پدیده مشاهده می شود.دراین صورت در اثر سائیدن 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 آتمسفر قرار می گیرد، اتفاق می افتد. گچی شدن در نوع آناتاز سریعتر از نوع روتیل اتفاق می افتد و تخریب فتوشیمیایی فیلم شدیدتر از نوع روتیل انجام می گیرد.

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 فرمولبندی 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 لایه سطحی رزین که منجر به گچی شدن فیلم رنگ می شود، به علت آن است که درمجاورت تیتانیوم دی اکسید سرعت اکسیداسیون افزایش می یابد.

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

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

دانشمندانی که بر روی این مسئله تحقیق کرده اند، اظهار می دارند که وقتی تیتانیوم دی اکسید در اثر جذب اشعه فرابنفش تحریک می شود، واکنشهای انتقال الکترون بین اکسیژن و آب اتفاق می افتد و موجب بوجود آمدن مواد اکسید کننده می گردد.

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 بنظر می رسد که این عمل بدین خاطر است که بعضی از ذرات پلیمری که در روی سطح تیتانیوم دی اکسید اکسید شده اند به سایر نقاط لایه رنگ نفوذ کرده و به اکسایش سایر مولکولها کمک می کنند و یا احتمالاً موجب یک سری واکنشهای زنجیره ای با مکانیزم رادیکال آزاد یا فعال سازی می گردند.

موارد استفاده تیتانیوم دی اکسید

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

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، بکار می رود.

شناسایی تیتانیوم دی اکسید

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 تیتانیوم دی اکسید 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 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 غیر سمی است اما ذرات حاصل از حمل و نقل آن آزاردهنده می باشد.
متر مکعب/ میلی گرم 10= مقدار حد مجاز ایمنی تیتانیوم دی اکسید