دی اکسید تیتانیوم (Titanium dioxide) که با عنوان تیتانیوم IV اکسید یا تیتانیا نیز شناخته میشود، ماده‌ای مهم در صنعت است که هم در رنگ پذیری پلیمرها و هم در افزایش مقاومت محصولات در برابر اشعه‌های خورشیدی، موثر می‌باشد. تولید دی اکسید تیتانیوم از طریق سه منبع ممکن می‌باشد. اما بیاد داشته باشید که غالباَ این ماده در اثر فرآیندهای طبیعی، قابل تولید خواهد بود.
فارغ از کاربردهای ذکرشده، طیف گسترده ای از صنایع بهداشتی- آرایشی و غذایی نیز تیتانیوم دی اکسیدها (فرمول شیمیایی: TiO2) برای تولیدات خود استفاده میکنند. رنگ سفید ویژه‌ی این ماده، موجب شده تا در قالب رنگدانه، کارایی‌های زیادی در صنعت داشته باشد. بطوریکه پودر رنگدانه‌ی تیتانیوم سفید (PW6) از تقاضای بسیار زیادی در سطح جهان برخوردار است. لازم به ذکر است که رعایت نکات ایمنی در برخورد و مصرف این موارد، بسیار حائز اهمیت می‌باشد.
مشخصات فنی تیتانیوم دی اکسید
جدول مشخصات فنی دی اکسید تیتانیوم در زیر قرار گرفته است. اگرچه که بایستی بدانید که این ماده، یک ترکیب غیرآلی سفید است که در فرآیند ساخت بسیاری از محصولات، بکار گرفته میشود. ویژگی‌ها و خواص فیزیکی و شیمیایی تیتانیوم دی اکسید به شرح زیر می‌باشد:
|
نام رسمی |
دی اکسید تیتانیوم |
|
فرمول شیمیایی |
Tio2 |
|
دیگر القاب شناخته شده |
تیتانیا ؛ تیتانیوم 4اکسید |
|
گونه های زیرمجموعه‌ای کشف طبیعی |
1) روتایل – 2) آناتاز |
|
میزان چگالی |
23/4 گرم/سانتیمتر مکعب؛ برای گونه‌ی روتایل |
|
جرم مولی |
86/79 گرم بر مول |
|
نقطه ذوب |
1843 درجه سانتیگراد |
|
نقطه جوش |
2972 درجه سانتی گراد |
|
اثر حفاظتی اشعه‌ای |
دارد |
|
قابلیت تولید بصورت مصنوعی |
دارد |
|
حلالیت در آب |
غیر محلول |
لازم به‌ذکر است که فقط حدود پنج درصد از تولیدات هر ساله تیتانیوم دنیا، یه تولید فلز تیتانیوم اختصاص می‌یابد. بدین معنی که 95 درصد باقیمانده در تولید ماده رنگ دی اکسید تیتانیوم استفاده میشود.
دی اکسید تیتانیوم چیست؟
تیتان دی‌اکساید یا «تیتانیوم دی اکسید»، ماده ای معدنی است که از زمین استخراج میشود. اینگونه عناصر در حالت طبیعی، به اشکال مختلف کریستالی مانند آناتاز و روتیل وجود دارند و پس از فرآوری بصورت پودر سفید رنگی مشاهده میشوند. این ماده معدنی در صنایع مختلفی مانند رنگ و رزین، دارو سازی، غذایی، آرایشی و بهداشتی و… مورد استفاده قرار گرفته و آنها را ضمن سفیدتر و شفاف‌تر نشان دادن، در برابر نور ماورا بنفش محافظت می‌نماید. تیتانیوم دی اکسید مهمترین رنگ دهنده یا رنگدانه سفیدی می‌باشد که در صنعت مورد بهره قرار میگیرد. چراکه از یکسو در رنگ کردن ذرات، نقش ویژه‌ای دارد. و از سوی دیگر موجب ایجاد نوعی اثر حفاظتی در برابراشعه های فرابنفش خورشید میگردد. بدلیل داشتن مزایایی همچون:
- رنگ سفید درخشان،
- رنگدهی فوق‌العاده و عدم آزادسازی گازهای مضر در هنگام ترکیب با پلیمرها،
- ضریب شکست بالا (۴۹/۲- ۹۰/۲ )،
- درخشندگی عالی،
- بی‌اثری (خنثی بودن)،
- ایستادگی سایشی چشمگیر،
- تقابل مثمرثمر با دماهای بالا،
- درجه دیرگدازی بالا
- و توان زیاد در توزیع و انتشار یکنواخت در دیگر ترکیبات،
به‌عنوان محبوبترین و البته پر استفاده‌ترین ماده‌ی اولیه رنگ سفید در صنایع شناخته میشود .
دی اکسید تیتانیوم آناتاز
تیتانیوم دی اکسید آناتاز در ابتدا و بصورت طبیعی، دارای ماهیت سفیدگونه و حتی بدون‌رنگ می‌باشد. اما با وجود ناخالصی‌های متعدد در درون ساختار آن، به رنگهای زرد تا طیف آبی دیده میشود. ماده دی اکسید تیتانیوم آناتاز اگرچه بصورت طبیعی (در قالب یک ماده‌ی معدنی با استراکچر جامد) یافت میشود. ولی بمنظور تولید عناصر نیمه‌هادی، قابلیت تولید آنها بصورت مصنوعی/کارخانه‌ای نیز وجود دارد. آناتاز تیتانیوم قادر است که با توجه به رنگ و ساختار خود، نورهای وارده به خود را در رنگهای مختلف:
- مشکی،
- قهوه‌ای تند،
- جگری و طیف رنگی متشکل از قهوه‌ای+قرمز
- نارنجی
- لیمویی/نخودی کمرنگ
ساطع کند.
تیتانیوم دی اکسید روتایل
گونه‌ای دیگر از انواع TiO2 ها هستند که بدلیل تولید زیاد در طبیعت، بیشتر از آناتازها در دسترس هستند. جالب است بدانید که:
دی اکسید تیتانیوم روتایل، شدیداَ پایدار می‌باشد و دارای پراکندگی بالایی نیز است. همچنین در طول موج های قابل مشاهده (مرئی)، ضریب شکست قابل توجهی برای تیتانیوم روتایل ها ثبت شده است.
حال شاید این پرسش در ذهنتان مطرح شود که روتایل ها چگونه بدست می‌آیند؟ دی اکسید تیتانیوم روتایل در پی حرارت پذیری قابل توجه سنگهای آذرین و دگرگونی، بدست می‌آیند. البته گاها به جای گرمای زیاد، فشار بسیار قابل توجهی نیز به این سنگ‌ها وارد آمده و در پی آن روتایلها شکل میگیرند.
تفاوت روتایل و آناتاز
در باب تفاوت های مهم دی اکسید تیتانیوم آناتاز و روتایل (روتیل)، میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
- روتایل از شبکه بلوری با تراکم زیادتر نسبت به آناتاز تشکیل شده است. بنابراین دارای چگالی بیشتری بوده و از ضریب شکست بیشتری بهره میبرد.
- هردوی این ماده‌ها، دارای ساختاری کریستالی هستند. با این تفاوت که گستردگی، ترتیب و تعدد ساختارها در تیتانیوم دی اکسید روتیل، بیشتر از آناتازها است.
- روتیل‌ها به لحاظ نوری، مثبت محسوب میشوند. درسوی مقابل تیتانیوم آناتاز به لحاظ نوری، نگاتیو می‌باشد.
- طبق گفته‌های پیشین، آناتازها یا بدون رنگ هستند؛ و یا با وجود ناخالصی‌ها، در طیف رنگی آبی تا زرد دیده میشوند. روتایل ها اما بارنگ قرمز نافذ، یافت خواهند شد.
- دسترسی به دی اکسید تیتانیوم روتیل (بدلیل فراوانی طبیعی)، بسیار آسانتر از گونه‌های آناتاز است.
کاربردهای دی اکسید تیتانیوم
مصرف عمده دی اکسید تیتانیوم در صنایع رنگ سازی به عنوان رنگدانه است. همچنین این ماده در صنایع سمنت پلاست، سنگ مصنوعی، ساخت سرامیک، پلاستیک، کاغذ و الکترونیک نیز دارای کاربرد می‌باشد. درواقع علاوه بر رنگدهی عالی به انواع پلیمرها، یکی دیگر از دلایل محبوبیت این ماده در صنعت، داشتن دو شکل آلوتروپی روتیل و آناتاز است.
در ادامه بصورت مشروح در مودر کاربردهای وسیع دی اکسید تیتانیوم توضیح می‌دهیم .
دی اکسید تیتانیوم گرید رنگدانه
از دی اکسید تیتانیوم گرید رنگدانه ای، در طیف وسیعی از کاربردها که به تیرگی و روشنایی بالایی نیاز دارند، استفاده میشود. درحقیقت، بیشتر سطوح و موارد سفید و پاستلی و حتی سایه‌های تیره رنگ حاوی دی اکسید تیتانیوم هستند.
دی‌اکساید تیتانیوم رنگدانه ای در طیف وسیعی از برنامه‌ها استفاده میشود. یعنی تقریباَ تمامی کاربردهای این ماده، به خاصیت رنگدانه ای آنها وابسته است. البته که خواصی مانند پایداری زیاد، ضریب شکست قابل توجه و… نیز در انتخاب آنها بعنوان یک ماده صنعتی، موثر خواهند بود.
رنگها و پوششها
برای تولید روکش و تهیه‌ی انواع طیف های رنگی، دی اکسید تیتانیوم کدری را ایجاد میکند. درحالی که به اطمینان از دوام رنگ و محافظت از سطح رنگ شده نیز کمک میکند. روکشهای ساخته شده از این ماده، مقاومت خوبی در برابر حرارت پذیری دارند. همچنین در ترکیب با پلیمرها (بخصوص PVC) هیچ ماده‌ی مضری را منتشر نمی‌سازند.
پلاستیک، چسب، سرامیک و لاستیک
مطابق تعاریف جهانی، دی اکسید تیتانیوم دارای کاربردهای دسته‌ی «Plastics, Adhesives and Rubber» است. بدین معنی که دی اکسید تیتانیوم میتواند به حداقل میزان شکنندگی، محو شدن و ترک خوردگی که میتواند در پلاستیک ها و سایر مواد در اثر قرار گرفتن در معرض نور ایجاد شود، کمک کند. فراموش نکنید که یکی از کاربردهای مهم این ماده در گونه‌ی روتایل، تولید سرامیک‌های ضدحریق (نسوز) است.
تولید کاغذ با دی اکسید تیتانیوم
از دی اکسید تیتانیوم برای پوشاندن کاغذ نیز استفاده شده و باعث سفیدتر و روشنتر آن میشود. ضمناَ باید گفت یکی دیگر از خواص جالب دی اکسید تیتانیوم برای تولید کاغذ، خاصیت مات شدن کاغذهاست. بطوریکه با تغییر ساختار پودرهای تیتانیوم 4اکسید روتایل، میتوان به مات سازی/شفاف سازی کاغذها پرداخت.
ورقهای باریک و نازک تولیدشده از دی‌اکسید تایتان‌ها برای ساخت انواع لعابهای لاک الکل هم بکار گرفته میشود.
محصولات آرایشی و بهداشتی
از دی اکسید تیتانیوم با رنگدانه در برخی از مواد آرایشی استفاده میشود. بهره‌گیری از این ماده کمک میکند تا لکه‌ها پنهان شده و بدین ترتیب پوست روشنتر گردد. دی اکسید تیتانیوم امکان استفاده از پوششهای نازک‌تر از مواد آرایشی را برای همان اثر مطلوب فراهم میکند. دلیل دیگر استفاده از این ماده‌ها در تولید لوازم آرایشی– بهداشتی، قابلیت شفافیت آنها در برابر نورهای مرئی می‌باشد. ازهمین رو قادر هستند تا بطور آنی، جاذب اشعه های فرابنفش خورشیدی باشند.
صنعت دارویی جهان نیز از این ماده بی‌نصیب نمانده است. چنان‌که از ماده Titanium dioxide برای رنگدانگی قرص‌ها و داروها نیز استفاده میشود. بلحاظ اعطای رنگدانگی، تولید صابونها نیز با بهره گیری از دی اکساید تیتانیوم ها همراه است که رنگدهی مناسبی برای این محصولات به ارمغان می‌آورد.
تولید/ بسته بندی مواد غذایی با دی اکساید تایتان
میزان تیرگی در برابر نور مرئی و ماورا بنفش که توسط دی اکسید تیتانیوم ارائه میشود، از انواع:
- مواد غذایی،
- نوشیدنی ها،
- مکمل‌ها و
- داروسازی،
در برابر تخریب زودرس محافظت نموده و باعث ماندگاری محصول میشود. گریدهای خاصی از دی اکسید تیتانیوم با درجه رنگدانه با خلوص بالا نیز در پوششهای کپسول و به عنوان یک کمک تزئینی در برخی غذاها استفاده میشود. تیتانیوم دی اکسیدها همچنین از دیدگاه رنگدهی به خوراک، با استقبال ویژه‌ی کارخانجات موادغذایی سرتاسر دنیا روبرو شده‌اند.
نکته: درمواقعی که این ماده‌ها به‌عنوان رنگ غذا بکار گرفته میشوند، عدد ئی آنها ۱۷۱ به ثبت رسیده است.
دی اکسید تیتانیوم با درجه آلترافاین
درجه فوق العاده ریز دی اکسید تیتانیوم (در مقیاس نانو) که با نام انحصاری « Ultrafine-grade, or Nanoscale Titanium Dioxide» معرفی شده‌است، معمولاً در کاربردهای ویژه زیر استفاده میشود:
- کرم ضد آفتاب:
درحالیکه دی اکسید تیتانیوم در مقیاس نانو به عنوان یک جاذب کارآمد نور UV عمل میکند، در برابر نور مرئی شفاف می شود. از آنجا که اندازه ذرات بسیار ریز است، دی اکسید نانو تیتانیوم نور مرئی را منعکس نمیکند. اما نور ماورا بنفش (UV) را جذب میکند. ضمن اینکه مانعی شفاف را ایجاد نموده که پوست را در برابر اشعه‌های مضر خورشید محافظت خواهد کرد. طبق بنیاد سرطان پوست، استفاده از ضد آفتاب های حاوی دی اکسید تیتانیوم می تواند از بروز سرطان پوست جلوگیری کند. (ناشی از جذب بیش از حد اشعه‌های مضر خورشید)
- دی اکسید تیتانیوم در نقش کاتالیزورها:
بکارگیری به‌عنوان ماده پشتیبانی برای کاربردهای کاتالیزور، از دیکر کاربردهای دی اکسید تیتانیوم در مقیاس نانوبشمار میرود. عمده موارد استفاده از آنها در صنعت خودرو برای حذف انتشار مضر گازهای خروجی و در نیروگاه ها برای حذف اکسیدهای نیتروژن است.
- ساخت آینه های دی‌الکتریک.
نکته: در صنعت از گونه‌های تیتانیوم روتایل، برای تولید فلز تیتانیوم استفاده میگردد.
اطلاعات خطرات سلامتی تیتانیوم دی اکسید
- اثرات حاد سلامتی:
اثرات حاد (کوتاه مدت) زیر ممکن است بلافاصله یا مدت کوتاهی پس از قرار گرفتن در معرض دی اکسید تیتانیوم رخ دهد:
- تحریک پوست
- سوزش چشم
- تحریک شدید یا نیمه شدید گلو و بینی.
- اثرات مزمن سلامتی:
گاهاَ قرار گرفتن در معرض دی اکسید تیتانیوم، میتواند به بروز اثرات مزمن بیانجامد. بطوریکه اثرات مضر آن تا ماه‌ها یا سالها بر بدن انسان ادامه داشته باشد.
- خطر سرطان:
دی اکسید تیتانیوم ممکن است یک سرطان‌زا در انسان باشد. زیرا نشان داده شده است که باعث سرطان ریه در حیوانات میشود.
- خطر تولید مثل:
بسیاری از دانشمندان بر این باورند که سطح امنی از قرار گرفتن در معرض مواد سرطان زا، وجود ندارد. یعنی چنین موادی ممکن است پتانسیل ایجاد آسیب باروری در انسان را نیز داشته باشند. اگرچه که هنوز تحقیقات جامعی در این زمینه صورت نگرفته است.
تجهیزات حفاظت فردی در برابر دی‌اکسید تیتانیومدرهمین رابطه میتوان به نکات ایمنی زیر اشاره داشت:
- دستکش و لباس:
- از تماس پوستی با دی اکسید تیتانیوم خودداری کنید. وسایل حفاظت فردی مورد استفاده، باید از متریالهایی ساخته شده باشند که Tio2 به آن نفوذ نکرده و یا باعث تخریب آن نشود. تامین کنندگان/ تولیدکنندگان تجهیزات ایمنی همواره موظفند توضیحات تکمیلی را بر روی بسته‌بندی لباسها یا دستکش‌ها درج کنند.
- مواد توصیه‌شده برای ساخت دستکش کار با دی اکسید تیتانیوم عبارتند از: نیتریل، نئوپرن و لاستیک طبیعی.
- کلیه لباس‌های محافظ (اعم از کت و شلوار، دستکش، کفش، روسری) بر تن پرسنل باشند.
- البسه ایمنی باید تمیز باشند، هر روز در دسترس بوده و قبل از کار پوشیده شوند.
- تجهیزات محافظت از چشم در برابر دی اکسید تیتانیوم:
- در صورت وجود ذرات معلق در هوا یا گرد و غبار از عینک دریچه مستقیم استفاده کنید.
حفاظت تنفسی Tio2
استفاده نادرست از ماسک تنفسی خطرناک است. ماسک‌های تنفسی تنها در صورتی باید استفاده شوند که کارفرما برنامه‌ای مکتوب اجرا کرده باشد که شرایط محل کار، الزامات آموزش کارگران، تست تناسب دستگاه تنفسی و معاینات پزشکی را در نظر گرفته باشد. همانطور که در استاندارد حفاظت تنفسی OSHA (29 CFR 1910.134) توضیح داده شده است)
چنانچه پتانسیل قرار گرفتن در معرض بیش از 2.4 میلی گرم بر مترمکعب برای دی اکسید تیتانیوم ریز، یا 0.3 میلی گرم بر متر مکعب برای دی اکسید تیتانیوم فوق ریز وجود دارد، از یک ماسک تنفسی ویژه استفاده میشود. ماسک تنفسی ویژه برای دی اکسید تیتانیوم باید دارای:
- کیفیت مناسب/ مورد تایید NIOSH و
- یک صفحه کامل که در حالت تقاضای فشار یا سایر حالتهای فشار مثبت کار میکند،
باشد. برای افزایش حفاظت، استفاده از این ماسک‌ها در ترکیب با یک دستگاه تنفسی کمکی یا یک سیلندر هوای فرار اضطراری، کمک کننده خواهد بود.
خطرات آتش سوزی دی اکسید تیتانیوم
خود دی اکسید تیتانیوم نمی‌سوزد. اما در هنگام التقاط این ماده با ترکیبات دیگر در یک آتش سوزی، عملیات اطفاء حریق را با استفاده از ماده‌ای متناسب با نوع آتش انجام دهید. بدلیل آنکه گازهای سمی در آتش تولید میشوند، بایستی به احتمالات مختلف ترکیب دی اکسید تیتانیوم و مواد مختلف فکر کرد. بنابراین اگر دی اکسید تیتانیوم ریخت، طبق استاندارد عملیات پسماند خطرناک OSHA و واکنش اضطراری(29 CFR 1910.120) ، مراحل زیر را انجام دهید:
- پرسنل را تخلیه کنید و ورودی منطقه را ایمن و کنترل نمایید.
- همه منابع اشتعال را از بین ببرید.
- مواد ریخته‌شده را ابتدا مرطوب کنید؛ و یا از جاروبرقی با فیلتر HEPA برای تمیز کردن استفاده نمایید. سپس برای دفع، مواد را در ظروف دربسته قرار دهید.
- ممکنست لازم باشد که دی اکسید تیتانیوم را به عنوان یک ضایعات خطرناک، نگهداری و دفع کنید. بنابراین برای دریافت توصیه‌های خاص به مراجع ایمنی ملی رجوع نمایید.
حمل و نقل و انبار تیتانیوم دی اکسید
قبل از کار با دی اکسید تیتانیوم، حتماَ باید در مورد نحوه نگهداری و حمل و نقل آن آموزش ببینید. فلذا توجه به نکات زیر، قطعاَ برایتان کارامد خواهد بود:
- پودرها یا غبارهای دی اکسید تیتانیوم ممکن است به شدت با فلزات شیمیایی فعال مانند:
- پتاسیم،
- سدیم،
- منیزیم و
- روی،
واکنش نشان دهند.
- پودرها یا غبارهای دی‌اکسید تیتانیوم با عوامل اکسید کننده سازگار نیستند. (مانند پرکلرات ها، پراکسیدها، پرمنگنات‌ها، کلرات‌ها، نیترات‌ها، کلر، برم و فلوئور، اسیدهای فلوئوریک قوی، اسید سولفوریک و اسیدهای چرب قوی)
- در ظروف در بسته و در جای خنک و دارای تهویه مناسب، نگهداری شوند.
- آنها را از فضاهایی که پتانسیل حریق دارند، دور کنید.
- محل نگهداری نباید در معرض باران و یا در جایی باشد که انباشت رطوبت آن بسیار زیاد است.
- حمل و نقل این مواد شیمیایی، بایستی با استفاده از مخازن استاندارد نگهداری و حمل مواد شیمیایی صورت پذیرد.
- جابجایی تیتانیوم دی اکسیدها گاهاَ به قصد مسافت‌های بسیار طولانی انجام میشود. فلذا بدلیل در معرض بودن طولانی، حتماَ از تجهیزات ایمنی مناسب استفاده نمایید.
