فرمول رنگ تمام پلاستیک

ساخت رنگ پلاستیک درجه 2

فرمولاسیون رنگ تمام پلاستیک

 

دی اکسید تیتانیوم

دی اکسید تیتانیوم ، همچنین به عنوان اکسید تیتانیوم (IV) یا تیتانیا / t aɪ ˈ t eɪ n i ə / شناخته می شود، یک ترکیب معدنی با فرمول شیمیایی TiO است.
₂. هنگامی که به عنوان رنگدانه استفاده می شود ، سفید تیتانیوم ، پیگمنت سفید 6 ( PW6 ) یا CI 77891 نامیده می شود. ^[4] این یک جامد سفید رنگ و نامحلول در آب است، اگرچه اشکال معدنی می تواند سیاه به نظر برسد. به عنوان رنگدانه، کاربردهای گسترده ای از جمله رنگ ، ضد آفتاب و رنگ خوراکی دارد. هنگامی که به عنوان رنگ خوراکی استفاده می شود دارای شماره E E171 است. تولید جهانی در سال 2014 از 9 میلیون تن فراتر رفت. ^{[5] [6] [7]} تخمین زده شده است که دی اکسید تیتانیوم در دو سوم رنگدانه ها استفاده می شود و رنگدانه های مبتنی بر اکسید 13.2 میلیارد دلار ارزش دارند.^[8]

در هر سه دی اکسید اصلی خود، تیتانیوم هندسه هشت وجهی را نشان می دهد و به شش آنیون اکسید متصل است. اکسیدها به نوبه خود به سه مرکز Ti پیوند دارند. ساختار کلی بلوری روتیل از نظر تقارن چهارضلعی است در حالی که آناتاز و بروکیت متعامد هستند. زیرساخت‌های اکسیژن همگی اعوجاج‌های جزئی بسته‌بندی نزدیک هستند : در روتیل، آنیون‌های اکسید در بسته‌بندی نزدیک شش ضلعی اعوجاج قرار گرفته‌اند، در حالی که در آناتاز به بسته‌بندی نزدیک مکعبی و برای بروکیت به «بسته‌بندی شش ضلعی دوگانه» نزدیک می‌شوند. ساختار روتیل برای سایر دی اکسیدهای فلزی و دی فلوریدها، به عنوان مثال RuO ₂ و ZnF ₂ گسترده است.

دی اکسید تیتانیوم مذاب یک ساختار محلی دارد که در آن هر Ti به طور متوسط با حدود 5 اتم اکسیژن هماهنگ است. ^[9] این از اشکال کریستالی که در آن Ti به 6 اتم اکسیژن مختصات می شود متمایز است.

 

ساختار آناتاز . همراه با روتیل و بروکیت، یکی از سه پلی مورف اصلی TiO ₂ است.

TiO ₂ مصنوعی عمدتا از ماده معدنی ایلمنیت تولید می شود. روتیل ، و آناتاز ، که به طور طبیعی TiO ₂ وجود دارد، به طور گسترده ای نیز وجود دارد، به عنوان مثال روتیل به عنوان یک ماده معدنی سنگین در ماسه ساحل. لوکسن ، آناتاز ریزدانه که در اثر دگرسانی طبیعی ایلمنیت تشکیل شده است، سنگ معدن دیگری است. یاقوت‌های کبود ستاره‌ای و یاقوت‌ها ستاره خود را از ادغام‌های جهت‌دار سوزن‌های روتیل می‌گیرند. ^[10]

کانی شناسی و چند شکلی غیر معمول

دی اکسید تیتانیوم در طبیعت به عنوان مواد معدنی روتیل و آناتاز وجود دارد. علاوه بر این، دو نوع پرفشار کانی شناخته شده‌اند: شکلی شبیه بددلییت مونوکلینیک که به نام آکائوگییت شناخته می‌شود و دیگری دارای انحراف مونوکلینیک جزئی در ساختار α-PbO ₂ ارتورومبیک است و به نام ریزیت شناخته می‌شود . هر دوی آنها را می توان در دهانه ریس در باواریا یافت. ^{[11] [12] [13]} عمدتاً از ایلمنیت تهیه می شود ، که گسترده ترین سنگ معدن دی اکسید تیتانیوم در سراسر جهان است. روتیل بیشترین فراوانی را دارد و حاوی حدود 98 درصد دی اکسید تیتانیوم در سنگ معدن است. فازهای آناتاز و بروکیت متقابل به طور غیرقابل برگشتی به فاز روتیل تعادلی با حرارت دادن به دمای بالاتر در محدوده 600-800 درجه سانتیگراد (1110-1470 درجه فارنهایت) تبدیل می شوند. ^[14]

دی اکسید تیتانیوم دارای دوازده پلی مورف شناخته شده است - علاوه بر روتیل، آناتاز، بروکیت، آکائوگییت و ریزیت، سه فاز فراپایدار را می توان به صورت مصنوعی تولید کرد ( مونوکلینیک ، تتراگونال ، و رامسدلیت مانند ارتورومبیک)، و چهار شکل فشار بالا (α-PO ₎ فازهای مشابه ، کوتونیتی ، OI متعامد و مکعبی نیز وجود دارد:

فاز نوع کوتونیت سخت ترین اکسید شناخته شده با سختی ویکرز 38 گیگا پاسکال و مدول حجمی 431 گیگا پاسکال (یعنی نزدیک به مقدار الماس 446 گیگا پاسکال) در فشار اتمسفر ادعا شده است. ^[22] با این حال، مطالعات بعدی به نتایج متفاوتی رسیدند که مقادیر بسیار پایین‌تری هم از نظر سختی (7 تا 20 گیگا پاسکال، که آن را نسبت به اکسیدهای معمولی مانند کوراندوم Al ₂ O ₃ و روتیل TiO ₂ نرم‌تر می‌کند ) و هم برای مدول توده ، نرم‌تر کرد. ~ 300 گیگا پاسکال). ^[24] [25]

دی اکسید تیتانیوم (B) به عنوان یک ماده معدنی در سنگ های ماگمایی و رگه های گرمابی و همچنین لبه های هوازدگی روی پروسکایت یافت می شود. TiO ₂ همچنین در سایر کانی ها لاملا ایجاد می کند. ^[26]

 

تکامل تولید جهانی دی اکسید تیتانیوم بر اساس فرآیند

پنج بزرگترین TiO
₂پردازنده های رنگدانه در Chemours 2019 ، Cristal Global ، Venator ، Kronos  [ de ] و Tronox هستند. ^[27] [28] کاربران نهایی شرکت رنگ و پوشش برای دی اکسید تیتانیوم درجه رنگدانه عبارتند از Akzo Nobel ، PPG Industries ، Sherwin Williams ، BASF ، Kansai Paints و Valspar . ^[29] TiO جهانی
₂تقاضای رنگدانه برای سال 2010 5.3 میلیون تن بود که انتظار می رود رشد سالانه حدود 3-4٪ باشد. ^[30]

روش تولید به مواد اولیه بستگی دارد. علاوه بر سنگ معدن، سایر مواد اولیه شامل سرباره ارتقا یافته است. هر دو فرآیند سولفات و کلرید رنگدانه دی اکسید تیتانیوم را به شکل کریستال روتیل تولید می کنند، اما فرآیند سولفات را می توان برای تولید فرم آناتاز تنظیم کرد. آناتاز که نرم تر است، در کاربردهای فیبر و کاغذ استفاده می شود. فرآیند سولفات به صورت دسته ای اجرا می شود . فرآیند کلرید به صورت یک فرآیند پیوسته اجرا می شود . ^[31]

فرآیند کلرید

در فرآیند کلرید ، سنگ معدن با کلر و کربن تصفیه می شود تا تتراکلرید تیتانیوم ، مایعی فرار که بیشتر با تقطیر خالص می شود، به دست آید. TiCl4 برای بازسازی کلر و تولید دی اکسید تیتانیوم با اکسیژن تصفیه می شود.

فرآیند سولفات

کارخانه های تولید مواد شیمیایی با استفاده از فرآیند سولفات، به کنسانتره ایلمنیت (45-60% TiO ₂ ) یا مواد اولیه تصفیه شده به عنوان منبع مناسب تیتانیوم نیاز دارند. ^[32] در فرآیند سولفات، ایلمنیت با اسید سولفوریک برای استخراج پنتا هیدرات سولفات آهن (II) درمان می شود . روتیل مصنوعی حاصل مطابق با مشخصات کاربر نهایی، یعنی درجه رنگدانه یا موارد دیگر، پردازش می شود. ^[33] در روش دیگری برای تولید روتیل مصنوعی از ایلمنیت، فرآیند بچر ابتدا ایلمنیت را به عنوان وسیله‌ای برای جداسازی جزء آهن اکسید می‌کند.

روش های تخصصی

برای کاربردهای تخصصی، فیلم های TiO ₂ توسط شیمی های تخصصی مختلف تهیه می شوند. ^[34] مسیرهای سل-ژل شامل هیدرولیز آلکوکسیدهای تیتانیوم، مانند اتوکسید تیتانیوم است :

Ti(OEt) ₄ + 2 H ₂ O → TiO ₂ + 4 EtOH

این فناوری برای تهیه فیلم مناسب است. یک رویکرد مرتبط که همچنین بر پیش سازهای مولکولی متکی است، رسوب شیمیایی بخار را شامل می شود . در این کاربرد، آلکوکسید تبخیر می شود و سپس در تماس با سطح داغ تجزیه می شود:

Ti(OEt) ₄ → TiO ₂ + 2 Et ₂ O

مهم ترین زمینه های کاربرد رنگ ها و لاک ها و همچنین کاغذ و پلاستیک ها هستند که حدود 80 درصد از مصرف دی اکسید تیتانیوم در جهان را تشکیل می دهند. سایر کاربردهای رنگدانه مانند جوهر چاپ، الیاف، لاستیک، محصولات آرایشی و بهداشتی و مواد غذایی 8 درصد دیگر را تشکیل می دهند. بقیه در کاربردهای دیگر استفاده می شود، به عنوان مثال تولید تیتانیوم خالص فنی، شیشه و سرامیک شیشه، سرامیک الکتریکی، پتینه فلزی، کاتالیزورها، هادی های الکتریکی، واسطه های شیمیایی، یا به عنوان بستری برای جذب اسید فسفونیک. ^[35] [36]

رنگدانه

^{دی اکسید} تیتانیوم که اولین بار در سال 1916 به تولید انبوه رسید، به دلیل درخشندگی و ضریب شکست بسیار بالا، پرمصرف ترین رنگدانه سفید است که در آن تنها با چند ماده دیگر پیشی گرفته است ( لیست شاخص های شکست را ببینید). اندازه کریستال دی اکسید تیتانیوم به طور ایده آل در حدود 220 نانومتر (اندازه گیری شده توسط میکروسکوپ الکترونی) برای بهینه سازی حداکثر بازتاب نور مرئی است. با این حال، رشد غیر طبیعی دانه اغلب در دی اکسید تیتانیوم، به ویژه در فاز روتیل آن مشاهده می شود. وقوع رشد غیر طبیعی دانه باعث انحراف تعداد کمی از کریستال ها از اندازه متوسط کریستال می شود و رفتار فیزیکی TiO _{2 را اصلاح می کند.}. خواص نوری رنگدانه تمام شده به خلوص بسیار حساس است. تنها چند قسمت در میلیون (ppm) از فلزات خاص (Cr، V، Cu، Fe، Nb) می تواند شبکه کریستالی را چنان مختل کند که اثر آن در کنترل کیفیت قابل تشخیص باشد. ^[38] تقریباً 4.6 میلیون تن TiO ₂ رنگدانه‌ای سالانه در سراسر جهان استفاده می‌شود و انتظار می‌رود این تعداد با افزایش استفاده افزایش یابد. ^[39]

TiO ₂ همچنین یک مات کننده موثر به شکل پودر است که به عنوان رنگدانه برای ایجاد سفیدی و کدورت محصولاتی مانند رنگ ها، پوشش ها، پلاستیک ها ، کاغذها ، جوهرها ، غذاها ، مکمل ها، داروها (به عنوان مثال قرص ها و قرص ها) استفاده می شود. اکثر خمیردندان ها ؛ در سال 2019 در دو سوم خمیردندان های موجود در بازار فرانسه وجود داشت. ^[40]در غذا، معمولاً در محصولاتی مانند بستنی، شکلات، انواع آب نبات، خامه‌ها، دسرها، گل ختمی، آدامس، شیرینی‌ها، اسپری‌ها، سس‌ها، کیک‌ها و بسیاری از غذاهای دیگر یافت می‌شود. ^[41] در رنگ، اغلب به طور غیرمستقیم به عنوان "سفید درخشان"، "سفید کامل"، "سفیدترین سفید" یا سایر اصطلاحات مشابه شناخته می شود. کدورت با اندازه بهینه ذرات دی اکسید تیتانیوم بهبود می یابد.

فیلم های نازک

هنگامی که به عنوان یک لایه نازک قرار می گیرد، ضریب شکست و رنگ آن را به یک پوشش نوری بازتابنده عالی برای آینه های دی الکتریک تبدیل می کند . همچنین در تولید لایه های نازک تزئینی مانند توپاز آتش عرفانی استفاده می شود.

برخی از گریدهای رنگدانه‌های مبتنی بر تیتانیوم اصلاح‌شده که در رنگ‌های درخشان، پلاستیک‌ها، پرداخت‌ها و لوازم آرایشی استفاده می‌شوند – اینها رنگدانه‌های ساخته دست بشر هستند که ذرات آن‌ها دارای دو یا چند لایه از اکسیدهای مختلف هستند - اغلب دی اکسید تیتانیوم، اکسید آهن یا آلومینا - برای داشتن درخشان. اثرات رنگین کمانی و یا مروارید مانند میکای خرد شده یا گوانینمحصولات مبتنی بر علاوه بر این اثرات، بسته به اینکه محصول نهایی چگونه و در چه زاویه ای روشن می شود و ضخامت لایه اکسید در ذرات رنگدانه، تغییر رنگ محدود در فرمولاسیون های خاص ممکن است. یک یا چند رنگ با انعکاس ظاهر می شوند در حالی که رنگ های دیگر به دلیل تداخل لایه های شفاف دی اکسید تیتانیوم ظاهر می شوند. ^[42] در برخی از محصولات، لایه دی اکسید تیتانیوم همراه با اکسید آهن با کلسینه کردن نمک های تیتانیوم (سولفات ها، کلرات ها) در حدود 800 درجه سانتیگراد رشد می کند ^[43] یک نمونه از رنگدانه های مرواریدی Iriodin است که بر پایه میکا پوشانده شده است. دی اکسید تیتانیوم یا اکسید آهن (III). ^[44]

اثر رنگین کمانی در این ذرات اکسید تیتانیوم بر خلاف اثر مات به دست آمده با رنگدانه اکسید تیتانیوم آسیاب شده معمولی است که از معدن بدست می آید، در این حالت فقط قطر مشخصی از ذره در نظر گرفته می شود و اثر فقط به دلیل پراکندگی است.

ضد آفتاب و رنگدانه های مسدود کننده اشعه ماوراء بنفش

در محصولات آرایشی و مراقبت از پوست ، دی اکسید تیتانیوم به عنوان رنگدانه، ضد آفتاب و غلیظ کننده استفاده می شود . به عنوان یک ضد آفتاب، از TiO ₂ بسیار ریز استفاده می شود که قابل توجه است در ترکیب با اکسید روی بسیار ریز ، به عنوان یک ضد آفتاب موثر در نظر گرفته می شود که میزان آفتاب سوختگی را کاهش می دهد و پیری زودرس نور ، سرطان زایی و سرکوب سیستم ایمنی مرتبط با افزایش طولانی مدت را به حداقل می رساند. قرارگیری در معرض نور خورشید. ^[45] گاهی اوقات این مسدود کننده های UV با رنگدانه های اکسید آهن در ضد آفتاب ترکیب می شوند تا محافظت در برابر نور مرئی را افزایش دهند. ^[46]

دی اکسید تیتانیوم و اکسید روی به طور کلی در مقایسه با ضدآفتاب هایی که حاوی مواد شیمیایی مانند اکسی بنزون ، اکتوکریلن و اکتینوکسات هستند، برای صخره های مرجانی مضر هستند . ^[47]

دی اکسید تیتانیوم نانو در اکثر کرم های ضد آفتاب فیزیکی به دلیل قابلیت جذب اشعه ماوراء بنفش قوی و مقاومت آن در برابر تغییر رنگ تحت نور فرابنفش یافت می شود. این مزیت ثبات و توانایی آن را برای محافظت از پوست در برابر اشعه ماوراء بنفش افزایش می دهد. ذرات نانومقیاس (اندازه ذرات 20 تا 40 نانومتر) ^[48] ذرات دی اکسید تیتانیوم عمدتاً در لوسیون ضد آفتاب استفاده می شوند زیرا نور مرئی را بسیار کمتر از رنگدانه های دی اکسید تیتانیوم پراکنده می کنند و می توانند محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش ایجاد کنند. ^[39] کرم های ضد آفتاب طراحی شده برای نوزادان یا افراد با پوست حساس اغلب بر پایه دی اکسید تیتانیوم و/یا اکسید روی هستند .، زیرا اعتقاد بر این است که این مسدود کننده های معدنی UV نسبت به سایر مواد شیمیایی جذب کننده UV باعث تحریک پوست کمتری می شوند. Nano-TiO2 هم اشعه UV- _A و هم UV-B را که در کرم های ضد آفتاب و سایر محصولات آرایشی استفاده می شود، مسدود می کند. استفاده از آن بی خطر است و نسبت به جاذب های ارگانیک UV برای محیط زیست بهتر است. ^[49]

ارزیابی خطر نانومواد مختلف دی اکسید تیتانیوم در ضد آفتاب در حال حاضر در حال تکامل است زیرا TiO ₂ در اندازه نانو با فرم میکرونیزه شناخته شده متفاوت است. ^[50] فرم روتیل عموماً در محصولات آرایشی و بهداشتی و ضد آفتاب استفاده می شود زیرا دارای هیچ گونه توانایی مشاهده شده برای آسیب رساندن به پوست در شرایط عادی نیست ^[51] و دارای جذب بالاتر UV است. ^[52] در آزمایش‌های کمیته علمی ایمنی مصرف‌کننده (SCCS) در سال 2016 به این نتیجه رسیدند که استفاده از نانو دی‌اکسید تیتانیوم (95٪ -100٪ روتیل، ≦5٪آناتاز) به عنوان فیلتر UV می‌تواند در نظر گرفته شود که هیچ گونه خطر عوارض جانبی ندارد. در انسان پس از استفاده بر روی پوست سالم، ^[53]به جز در مواردی که روش استفاده منجر به خطر قابل توجهی برای استنشاق شود (یعنی فرمولاسیون پودر یا اسپری). این نظر ایمنی در مورد نانو TiO ₂ در غلظت های تا 25٪ اعمال می شود. ^[54]

مطالعات اولیه نشان داد که ذرات نانو TiO ₂ می توانند به پوست نفوذ کنند که باعث نگرانی در مورد استفاده از نانو TiO ₂ می شود. این مطالعات بعداً رد شد، زمانی که مشخص شد روش آزمایش نمی تواند بین ذرات نفوذ شده و ذرات به دام افتاده در فولیکول های مو تمایز قائل شود و داشتن درم بیمار یا آسیب فیزیکی می تواند دلیل واقعی محافظت ناکافی از سد باشد. ^[50]

تحقیقات SCCS نشان داد که وقتی نانوذرات دارای پوشش‌های ثابت نوری خاصی بودند (مانند آلومینا ، سیلیس ، ستیل فسفات ، تری اتوکسی کاپریلیل سیلان ، دی اکسید منگنز ) فعالیت فوتوکاتالیستی کاهش می‌یابد و هیچ نفوذ قابل توجهی در پوست مشاهده نمی‌شود. ضدآفتاب در این تحقیق با مقادیر mg/cm2 10 برای دوره های مواجهه 24 ساعته استفاده شد. ^[54] پوشش TiO ₂ با آلومینا، سیلیس، زیرکون یا پلیمرهای مختلف می تواند تخریب آووبنزون را به حداقل برساند ^[55]و با افزودن مکانیسم پراش نور اضافی، جذب اشعه ماوراء بنفش را افزایش می دهد. ^[52]

TiO
₂به طور گسترده در پلاستیک و سایر کاربردها به عنوان رنگدانه سفید یا مات کننده و به دلیل خواص مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش که در آن پودر نور را - بر خلاف جاذب های آلی UV - پراکنده می کند و آسیب اشعه ماوراء بنفش را کاهش می دهد، عمدتا به دلیل ضریب شکست بالای ذرات استفاده می شود. ^[56]

سایر کاربردهای دی اکسید تیتانیوم

در لعاب های سرامیکی ، دی اکسید تیتانیوم به عنوان مات کننده عمل می کند و کریستال دانه ها را تشکیل می دهد.

از آن به عنوان رنگدانه خالکوبی و در مدادهای استیپتیک استفاده می شود. دی اکسید تیتانیوم در اندازه های مختلف ذرات که هم در روغن و هم در آب قابل پخش هستند و در درجه های خاصی برای صنایع آرایشی و بهداشتی تولید می شود. همچنین یک عنصر رایج در خمیر دندان است.

نمای بیرونی موشک Saturn V با دی اکسید تیتانیوم رنگ آمیزی شده بود. این بعدها به اخترشناسان اجازه داد تا تعیین کنند که J002E3 مرحله S-IVB از آپولو 12 است و نه یک سیارک . ^[57]

فوتوکاتالیست

دی اکسید تیتانیوم در اندازه نانو، به ویژه به شکل آناتاز، تحت تابش اشعه ماوراء بنفش (UV) فعالیت فوتوکاتالیستی از خود نشان می دهد. طبق گزارش‌ها، این فوتواکتیویتی در صفحات آناتاز {001} برجسته‌تر است، ^[58] [59] اگرچه صفحات {101} از نظر ترمودینامیکی پایدارتر هستند و بنابراین در اکثر آناتازهای سنتز شده و طبیعی برجسته‌تر هستند، ^[60] همانطور که در اغلب موارد مشهود است. مشاهده عادت رشد دو هرمی تتراگونال . رابط‌های بین روتیل و آناتاز بیشتر برای بهبود فعالیت فوتوکاتالیستی با تسهیل جداسازی حامل بار در نظر گرفته می‌شوند و در نتیجه، دی اکسید تیتانیوم دوفازی اغلب به عنوان یک فوتوکاتالیست دارای عملکرد پیشرفته‌تری در نظر گرفته می‌شود. ^[61]گزارش شده است که دی اکسید تیتانیوم، هنگامی که با یون های نیتروژن دوپ می شود یا با اکسید فلزی مانند تری اکسید تنگستن دوپ می شود، تحت نور مرئی نیز تحریک می شود. ^[62] پتانسیل اکسیداتیو قوی سوراخ های مثبت ، آب را اکسید می کند تا رادیکال های هیدروکسیل ایجاد کند . همچنین می تواند اکسیژن یا مواد آلی را مستقیماً اکسید کند. از این رو، دی اکسید تیتانیوم علاوه بر استفاده به عنوان رنگدانه، می تواند به رنگ ها، سیمان ها، پنجره ها، کاشی ها یا سایر محصولات به دلیل خاصیت استریل کنندگی، بو زدایی و ضد رسوب آن اضافه شود و به عنوان کاتالیزور هیدرولیز استفاده شود . همچنین در سلول های خورشیدی حساس به رنگ استفاده می شود، که نوعی سلول خورشیدی شیمیایی هستند (که به عنوان سلول Graetzel نیز شناخته می شود).

خواص فوتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم با اندازه نانو توسط آکیرا فوجیشیما در سال 1967 کشف شد ^[63] و در سال 1972 منتشر شد. ^[64] فرآیند روی سطح دی اکسید تیتانیوم اثر هوندا- فوجیشیما نامیده شد . ^[63] دی اکسید تیتانیوم، به شکل لایه نازک و نانوذره ، پتانسیل استفاده در تولید انرژی را دارد: به عنوان یک فوتوکاتالیست، می تواند آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه کند. با هیدروژن جمع آوری شده، می توان از آن به عنوان سوخت استفاده کرد. کارایی این فرآیند را می توان با دوپینگ اکسید با کربن تا حد زیادی بهبود بخشید. ^[65]کارایی و دوام بیشتر با ایجاد اختلال در ساختار شبکه ای لایه سطحی نانوبلورهای دی اکسید تیتانیوم به دست آمده است که امکان جذب مادون قرمز را فراهم می کند. ^[66] آناتاز و روتیل با اندازه نانو فعال نور مرئی برای کاربردهای فوتوکاتالیستی توسعه داده شده است. ^[67] [68]

در سال 1995 فوجیشیما و گروهش پدیده ابرآب دوستی را برای شیشه های با پوشش دی اکسید تیتانیوم در معرض نور خورشید کشف کردند. ^[63] این منجر به توسعه شیشه های خود تمیز شونده و پوشش های ضد مه شد.

TiO ₂ نانو اندازه ای که در مصالح ساختمانی در فضای باز، مانند سنگ فرش در بلوک های نوکسر ^[69] یا رنگ ها ادغام می شود، می تواند غلظت آلاینده های موجود در هوا مانند ترکیبات آلی فرار و اکسیدهای نیتروژن را به میزان قابل توجهی کاهش دهد . ^[70] سیمانی که از دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک جزء فوتوکاتالیستی استفاده می کند، تولید شده توسط گروه Italcementi، در 50 اختراع برتر مجله تایم در سال 2008 گنجانده شد. ^[71]

تلاش هایی برای کانی سازی فوتوکاتالیستی آلاینده ها (برای تبدیل به CO ₂ و H ₂ O ) در فاضلاب انجام شده است. ^[72] TiO ₂ به دلیل چندین عامل پتانسیل زیادی را به عنوان یک فناوری صنعتی برای سم زدایی یا اصلاح فاضلاب ارائه می دهد: ^[73]

1. این فرآیند از اکسیژن طبیعی و نور خورشید استفاده می کند و بنابراین در شرایط محیطی رخ می دهد. طول موج انتخابی است و توسط نور UV شتاب می گیرد.
2. فوتوکاتالیست ارزان قیمت، به آسانی در دسترس، غیر سمی، از نظر شیمیایی و مکانیکی پایدار است و گردش مالی بالایی دارد.
3. از تشکیل محصولات واسطه ای فوتوسیکل شده، بر خلاف تکنیک های فتولیز مستقیم، اجتناب می شود.
4. اکسیداسیون بسترها به CO2 کامل _شده است.
5. TiO ₂ را می توان به عنوان لایه های نازک بر روی بسترهای راکتور مناسب نگه داشت، که می تواند به راحتی از آب تصفیه شده جدا شود. ^[74]

تخریب فوتوکاتالیستی مواد آلی نیز در پوشش‌های ضد میکروبی فوتوکاتالیستی مورد استفاده قرار می‌گیرد، ^[75] که معمولاً لایه‌های نازکی هستند که روی مبلمان بیمارستان‌ها و سایر سطوح مستعد آلوده شدن به باکتری‌ها، قارچ‌ها و ویروس‌ها اعمال می‌شوند.

تشکیل رادیکال هیدروکسیل

اگرچه آناتاز TiO2 در اندازه نانو _نور مرئی را جذب نمی کند، اما به شدت اشعه ماوراء بنفش (UV) ( hv ) را جذب می کند که منجر به تشکیل رادیکال های هیدروکسیل می شود. ^[76] این زمانی اتفاق می‌افتد که سوراخ‌های پیوند ظرفیتی ناشی از عکس (h ⁺ _vb ) در سطح TiO ₂ به دام می‌افتند که منجر به تشکیل سوراخ‌های به دام افتاده (h ⁺ _tr ) می‌شود که نمی‌توانند آب را اکسید کنند. ^[77]

TiO ₂ + hv → e ^- + h ⁺ _vb

h ⁺ _vb → h ⁺ _tr

O ₂ + e ⁻ → O ₂ ^•−

O ₂ ^•- + O ₂ ^•- + 2 H ⁺ → H ₂ O ₂ + O ₂ 

O ₂ ^•− + h ⁺ _vb → O ₂

O ₂ ^•− + h ⁺ _tr → O ₂

  OH ⁻ + h ⁺ _vb → HO•

e ⁻ + h ⁺ _tr → نوترکیبی

توجه: طول موج (λ) = 387 نانومتر ^[77] مشخص شده است که این واکنش باعث کانی سازی و تجزیه ترکیبات نامطلوب در محیط، به ویژه هوا و فاضلاب می شود. ^[77]

 

تک بلورهای مصنوعی TiO ₂ ، حدود. اندازه 2-3 میلی متر، از یک صفحه بزرگتر بریده شده است.

نانولوله ها

 

نانولوله های اکسید تیتانیوم، تصویر SEM

 

نانولوله های دی اکسید تیتانیوم (TiO ₂ -Nt) به دست آمده از سنتز الکتروشیمیایی. تصویر SEM آرایه‌ای از TiO ₂ -Nt عمودی را با انتهای بسته لوله‌ها نشان می‌دهد.

آناتاز را می توان به نانولوله ها و نانوسیم های معدنی تبدیل کرد . ^[78] نانوالیاف توخالی TiO ₂ را نیز می توان با پوشش نانوالیاف کربنی با استفاده از بوتاکسید تیتانیوم تهیه کرد. ^[79]

 

تصاویر SEM (بالا) و TEM (پایین) از نانوالیاف کایرال TiO _{2 .} ^[79]

از سال 2006، دی اکسید تیتانیوم به عنوان "کاملا غیر سمی" در نظر گرفته شده است. ^[4] مواد معدنی و حتی سنگ های قیمتی که به طور گسترده یافت می شوند از TiO ₂ تشکیل شده اند . تمام تیتانیوم طبیعی که بیش از 0.5 درصد از پوسته زمین را تشکیل می دهد، به صورت اکسید وجود دارد. اگرچه هیچ شواهدی دال بر سمیت حاد وجود ندارد، نگرانی های مکرری در مورد اشکال نانوفاز این مواد بیان شده است. مطالعات کارگرانی که در معرض ذرات TiO ₂ زیاد قرار دارند نشان می دهد که حتی در مواجهه زیاد نیز هیچ اثر نامطلوبی برای سلامت انسان وجود ندارد. ^[80]

اتحادیه اروپا مجوز استفاده از دی اکسید تیتانیوم (E 171) در غذاها را از 7 فوریه 2022 با مهلت شش ماهه لغو کرد. ^[81]

گرد و غبار دی اکسید تیتانیوم، هنگام استنشاق، توسط آژانس بین المللی تحقیقات سرطان (IARC) به عنوان سرطان زا گروه 2B IARC طبقه بندی شده است ، به این معنی که احتمالاً برای انسان سرطان زا است . ^[82] [83] مؤسسه ملی ایمنی و بهداشت شغلی ایالات متحده دو حد قرار گرفتن در معرض مجزا را توصیه می کند. NIOSH این TiO خوب را توصیه می کند
₂ذرات در حد نوردهی 2.4 میلی گرم بر متر مکعب تنظیم شوند ^، در حالی که TiO بسیار ریز 
₂در حد نوردهی 0.3 میلی گرم بر متر مکعب ^، به عنوان غلظت میانگین وزنی زمان تا 10 ساعت در روز برای یک هفته کاری 40 ساعته تنظیم شود. ^[84]

معرفی زباله های زیست محیطی

دی اکسید تیتانیوم (TiO2) بیشتر به عنوان نانوذرات از طریق تصفیه خانه های فاضلاب به محیط زیست وارد می شود. ^[85] رنگدانه های آرایشی از جمله دی اکسید تیتانیوم زمانی که محصول پس از استفاده از لوازم آرایشی در سینک ها شسته می شود، وارد فاضلاب می شود. هنگامی که در تصفیه خانه های فاضلاب قرار می گیرند، رنگدانه ها به لجن فاضلاب جدا می شوند که پس از تزریق به خاک یا پخش در سطح آن می توانند در خاک آزاد شوند. 99 درصد از این نانوذرات به دلیل ماندن در لجن فاضلاب به جای محیط های آبی در خشکی منفجر می شوند. ^[85] در محیط زیست، نانوذرات دی اکسید تیتانیوم حلالیت کم تا ناچیز دارند و نشان داده شده است که پس از تشکیل دانه‌های ذرات در محیط خاک و آب، پایدار هستند. ^[85]در فرآیند انحلال، یون‌های محلول در آب معمولاً زمانی که از نظر ترمودینامیکی ناپایدار هستند، از نانوذره به محلول جدا می‌شوند. انحلال TiO ₂ زمانی افزایش می یابد که سطوح بالاتری از مواد آلی محلول و خاک رس در خاک وجود داشته باشد. با این حال، تجمع توسط pH در نقطه ایزوالکتریک TiO ₂ (pH = 5.8) ترویج می شود که آن را خنثی می کند و غلظت یون محلول را بالای 4.5 میلی مولار می کند. ^[86] [87]

سیاست های ملی در مورد استفاده از افزودنی های غذایی

سفیدکننده TiO ₂ در مواد غذایی از سال 2020 در فرانسه ممنوع شد، به دلیل عدم اطمینان در مورد اینکه چه مقدار برای مصرف انسان ایمن است. ^[88]

در سال 2021، سازمان ایمنی غذای اروپا (EFSA) حکم داد که در نتیجه درک جدید از نانوذرات ، دی اکسید تیتانیوم "دیگر نمی تواند به عنوان یک افزودنی غذا ایمن در نظر گرفته شود" و کمیسر بهداشت اتحادیه اروپا برنامه هایی را برای ممنوعیت استفاده از آن در سراسر جهان اعلام کرد. اتحادیه اروپا، با شروع بحث در ژوئن 2021. EFSA به این نتیجه رسید که سمیت ژنتیکی - که می تواند منجر به اثرات سرطان زا شود - را نمی توان رد کرد، و اینکه "سطح ایمن برای مصرف روزانه افزودنی غذا نمی تواند ایجاد شود". ^[89] در سال 2022، آژانس استانداردهای غذایی بریتانیا و استانداردهای غذایی اسکاتلند اعلام کردند که با حکم EFSA موافق نیستند و بنابراین از اتحادیه اروپا در ممنوعیت دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک افزودنی غذایی پیروی نمی کنند. ^[90]Health Canada به طور مشابه شواهد موجود را بررسی کرده و تصمیم گرفته است که موضع خود را در مورد دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک افزودنی غذایی در حال حاضر تغییر ندهد. ^[91]

شرکت هایی مانند Dunkin' Donuts در سال 2015 پس از فشار عمومی، دی اکسید تیتانیوم را از کالاهای خود حذف کردند. ^[92] اندرو مینارد، مدیر مرکز علوم ریسک در دانشگاه میشیگان ، خطر احتمالی استفاده از دی اکسید تیتانیوم در غذا را رد کرد. او می گوید که دی اکسید تیتانیوم مورد استفاده توسط دانکین برندز و بسیاری دیگر از تولیدکنندگان مواد غذایی ماده جدیدی نیست و همچنین یک نانومواد نیست. قطر نانوذرات معمولاً کمتر از 100 نانومتر است، با این حال بیشتر ذرات موجود در دی اکسید تیتانیوم مواد غذایی بسیار بزرگتر هستند. ^[93] با این حال، تجزیه و تحلیل توزیع اندازه نشان داد که دسته‌هایی از TiO2 درجه مواد غذایی همیشه شامل یک کسری در اندازه نانو به عنوان محصول جانبی اجتناب‌ناپذیر فرآیندهای تولید هستند. ^[94]

 آموزش رایگان رنگ پلاستیک*فرمول رایگان رنگ نیم پلاستیک