تیتان

تیتانیوم دی اکساید (تیتانیوم دی اکسید) با فرمول شیمیایی TiO₂ که با نام‌های تیتان و تیتانا نیز شناخته می‌شود نوعی ماده‌ی شیمایی جامد، غیر آلی و سفید رنگ است و بیش از 100 سال است که در بسیاری از محصولات کاربرد دارد.

تیتان برای اولین بار در اواخر سده‌ی 1800 در آزمایشگاه تولید شد اما در اوایل قرن بیستم به عنوان جایگزینی ایمن برای سایر پیگمنت‌های سفید به تولید انبوه رسید.

شیمی تیتان

تیتانیوم یکی از رایج‌ترین فلزات موجود روی زمین است اما معمولا بدین صورت موجود نمی‌باشد. در حقیقت تیتانیوم با اکسیژن هوا ترکیب شده و تیتانیوم دی اکسید را تشکیل می‌دهد.

تیتانیوم دی اکسید در حالت کلی در دو کلاس رنگدانه(پیگمنت) و نانومواد تولید و استفاده می‌شود. پیگمنت در اندازه 200-300 نانومتر حدود 98% از تیتانیوم دی اکسید را تشکیل می‌دهد در حالی که نانوتیتان ذراتی با اندازه کمتر از 100 نانومتر هستند و در این حالت جذب UV بیشتری نسبت به پیگمنت دارند. نانو تیتان معمولا به صورت فوتوکاتالیست استفاده می‌شود که در این حالت تیتانیوم دی اکسید می‌تواند به رنگ، سیمان، پنجره‌ها و یا کاشی‌ها افزوده شود تا آلاینده‌های زیست محیطی را تجزیه کند. اما تیتان به عنوان پیگمنت سفید از مهمترین اجزای رنگ و پوشش است.

همچنین تیتانیوم دی اکساید از نظر شیمیایی می‌تواند دارای سه فاز روتایل (Rutile)، آناتاز (anatase)، بروکیت (brookite) باشد. روتایل متداول ترین فاز تیتان است. روتایل و آناتاز از نوع کریستالی هستند و پیگمنت‌های تیتان معمولا در یکی از این دو فاز پدید می‌آیند. بروکیت فازی است که بیشتر در هنگامی که فعالیت فوتوکاتالیستی نیاز است تشکیل می‌شود.

در ادامه‌ی مقاله به پیگمنت تیتان خواهیم پرداخت چرا که قسمت اعظم تیتان از نوع پیگمنت است.

روش تولید پیگمنت تیتان

TiO₂ روتایل در طبیعت یافت می‌شود که دلیل آن را می‌توان پایداری ترمودینامیکی ساختار کریستال روتایل دانست. در روش‌های شیمیایی TiO₂ طبیعی تصفیه شده تا تیتان سنتزی (مصنوعی) به دست بیاید.

پیگمنت تیتان را می‌توان از سنگ‌های معدنی غنی از تیتانیوم که روی زمین وجود دارد به دست آورد. دو روش عمده برای استخراج و ساخت هر دو نوع پیگمنت روتایل و آناتاز وجود دارد.

1. روش سولفاته: در این روش سنگ معدن غنی از تیتانیوم با سولفوریک اسید واکنش داده و ترکیب TiOSO₄ تشکیل می‌شود و طی چندین مرحله TiO₂ حاصل می‌شود. بسته به شرایط مختلف هر کدام از دو فاز روتایل و آناتاز می‌تواند تشکیل شود.
2. روش کلریده: در این فرایند، مواد خام غنی از تیتانیوم با استفاده از گاز کلرید (Cl₂) تصفیه شده و تتراکلرید تیتانیوم TiCl₄ تشکیل می‌گردد. سپس TiCl₄ در دمای بالا اکسیده شده و فاز خالص روتایل تشکیل می‌شود. از این روش نمی‌توان فاز آناتاز را تولید کرد.

ویژگی‌های پیگمنت تیتان

• سفیدی و شفافیت زیاد
• غیر سمی
• جذب اشعه ماورا بنفش، در معرض نور خورشید تغییر رنگ نمی‌دهد.
• مقاوم در برابر گرما و تغییرات شرایط هوایی
• قدرت پوشانندگی عالی
• ضریب شکست بالا: بازتابش نور مریی
• سازگاری خوب با بسیاری از مواد از جمله فلز، پلاستیک و …
• پایداری شیمیایی نسبتا خوب

کاربردهای پیگمنت تیتان

ویژگی‌های پیگمنت یا رنگدانه تیتان موجب کاربرد گسترده‌ی آن در صنایع گوناگون شده است. به عبارت دیگر امروزه می‌توان حضور تیتان را در بسیاری از محصولات مصرفی مشاهده کرد.

نمودار زیر سهم جهانی مصرف پیگمنت تیتان در صنایع مختلف از سال 2014 و پیش بینی تا 2025 را نشان می‌دهد.

صنعت رنگ، رزین، پوشش

همانطور که در شکل مشخص است بیشترین سهم مصرف تیتانیوم دی اکسید مربوط به صنعت رنگ و پوشش است (حدود 60%). تا قبل از دهه‌ی 1920 کارخانجات رنگ از پیگمنت‌های سفید بسیار سمی استفاده می‌کردند. اما تیتانیوم دی اکسید به مرور زمان جایگزین شد. البته باید اشاره کرد که از اکسید روی (ZnO) نیز به عنوان پیگمنت سفید در صنعت رنگ استفاده می‌شود اما به اندازه تیتان کارآمد نیست. امروز تیتان به عنوان مهمترین و پایه‌ای ترین پیگمنت سفید در صنعت رنگ به شمار می‌آید.

در انواع پوشش‌ها نیز از این پیگمنت استفاده می‌شود. برای مثال می‌توان از روکش توربین‌های بادی نام برد که استفاده از پیگمنت تیتان هم رنگ سفید را ایجاد کرده و هم از تخریب سازه توسط UV جلوگیری می‌کند. از تیتان به عنوان پوشش پلاستیک هم استفاده می‌شود زیرا مانع از تغییر رنگ در اثر تابش نور خورشید می‌گردد.

پیگمنت تیتان در تولید انواع رنگ‌های صنعتی(حدود 17%)، رنگ‌های تزییناتی و ساختمانی(حدود 35%)، جوهر چاپ (حدود4%) و پوشش‌های روی چوب، فلزات، کویل‌ها، و … نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. لعاب‌کاری و رنگ خودرو نیز از دیگر کاربردهای پیگمنت تیتانیوم دی اکسید در صنعت رنگ و پوشش است.

صنعت پلیمر و پلاستیک

دومین رتبه از کاربردهای تیتان (25%) به تولید پلیمرها و پلاستیک‌ها از جمله PVC، پلی استایرن، پلی اتیلن و بسیاری دیگر از پلاستیک‌های سفید رنگ اختصاص دارد.  

تیتانیوم دی اکسید همچنین در تولید مستربچ نیز به کار می‌رود. به عبارتی مستربچ سفید از تیتانیوم اکسیدی که تحت شرایط خاصی از دما و فشار قرار گرفته است، به وجود می‌آید. خواص تیتان، شرایطی را برای مستربچ سفید فراهم می‌کند تا بتواند برای پوشش دهی سطوح مورد استفاده قرار گیرد.

در حقیقت ضریب شکست بالای تیتانیوم دی اکسید موجب می‌شود که بتواند نور مریی را پخش کند و این ویژگی موجب می شود که وقتی این پیگمنت در محصول و یا سطح آن به کار گرفته می شود، با ظاهری براق مواجه باشیم.

صنعت کاغذ

صنعت کاغذسازی نیز از تیتان به طور گسترده‌ای استفاده می‌کند (حدود 10%). بدین منظور تیتانیوم دی اکساید به کاغذهای نازک  افزوده می‌شود تا کیفیت، شفافیت و سفیدی آن را ارتقا دهد. صفحات کتاب و مجلات، جلد آنها و ورقه‌های لمینت‌ دکوراسیون از جمله کاربردهای تیتان در صنعت کاغذ سازی است.

صنایع دارویی، آرایشی و بهداشتی

4% از سهم باقیمانده تیتان در لوازم آرایشی و محافظت از پوست تیتان، هم به صورت رنگدانه و هم به صورت لایه‌ای از کرم مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان مثال می‌توان از کرم‌های ضد آفتاب نام برد که خاصیت شفافیت و مقاومت در برابر UV در این مورد بسیار مهم است. در تولید خمیردندان نیز از تیتان استفاده می‌شود.

سایر کاربردها

از دیگر کاربردهای پیگمنت تیتانیوم دی اکسید می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• صنایع غذایی: در تولید برخی شکلات‌ها و شیرینی جات به منظور بهبود رنگ و ظاهر
• شیشه سازی، تولید پارچه و الیاف و….

مزایای زیست محیطی تیتان

تحقیقات نشان داده است که تیتانیوم دی اکسید برای بسیاری از کاربردهای سازگار با محیط زیست مفید است.

هنگامی که از تیتان به عنوان رنگ و پوشش در بیرون ساختمان‌ها استفاده می‌شود، به دلیل رنگ سفید و خاصیت انعکاس نور، در آب و هوای گرم و مناطق گرمسیری موجب خنک شدن ساختمان شده و نیاز به تهویه هوا را کاهش می‌دهد، از این رو موجب صرفه جویی قابل توجه انرژی می‌شود.

همچنین، شفافیت آن به این معنی است که نیازی به استفاده از پوشش‌های ضخیم یا دولایه نیست و همین امرباعث بهبود بهره وری منابع و جلوگیری از اتلاف آن می‌شود.

در حقیقت به دلیل خواص متنوع تیتان، شهرها، اتومبیل‌ها، خانه‌ها، غذا، پوست بدن و محیط زیست ما ایمن‌تر، سازگارتر، روشن‌تر و پاک‌تر خواهد بود. تجربه‌ی به کارگیری بیش از 100 سال از این ماده‌ی بی خطر تجاری و چالش‌های بی شماری که محیط زیست در اثر رشد روز افزون جمعیت با آن روبرو است، استفاده از تیتان در آینده را بسیار حیاتی تر می‌کند.

گردآوری و ترجمه: واحد تولید محتوای گروه صنعتی مکرر

منابع:

• knowledge.ulprospector.com
• coatings.specialchem.com
• tdma.info