Диоксид титана. Свойства, применение. Способы получения.

Чистый диоксид титана (TiO2) - это бесцветное твердое кристаллическое вещество. Несмотря на бесцветность, в больших количествах диоксид титана чрезвычайно эффективный белый пигмент, если он хорошо очищен. TiO2 практически не поглощает никакого падающего света в видимой области спектра. Свет или передается, или преломляется через кристалл или же отражается на поверхностях.

TiO2 - это стабильное (самый стабильное из всех известных белых пигментов), нелетучее, нерастворимое в кислотах, щелочах и растворах при нормальных условиях вещество. Диоксид титана отличается высокой реакционной устойчивостью к различным соединениям, в том числе и к токсичным, содержащимся в воздушной среде. Из-за своей инертности, диоксид титана не токсичен и, в общем, считается очень безопасным веществом. Он может контактировать с продуктами в упаковке, а в определенных концентрациях его можно использовать и как пищевой краситель.

TiO2 - полиморфен и встречается в трех основных кристаллических формах. Существуют три формы, анатаз (октаэдрит), рутил и брукит, последний в природе встречаются редко и, хотя эту форму и готовят в лабораториях, коммерческого интереса она не представляет.

Рутильный диоксид примерно на 30% лучше рассеивает свет (укрывистость), чем анатазный, поэтому последний используется гораздо реже. К тому же, анатаз менее атмосферостоек, чем рутил. Анатаз гораздо хуже работает в защите полимера (акрилата, пластмассы) от УФ лучей и приводит к фотокатализу и потере свойств полимера (происходит деструкция, выцветание, меление и т.д.).

Рассеивающая способность

способность пигмента к отражению света видимой части спектра определенных длин волн. Этот показатель у диоксида титана напрямую зависит от диаметра частиц TiO2. При размере частиц 0,2 мкм сумма рассеянного света для всех длин волн максимальна. При увеличении размера частицы от 0,25 до 0,3 мкм рассеивание голубого света быстро понижается. Но рассеивание зеленого и красного практически не меняется. Тем не менее, при диаметре частиц 0,15 мкм наблюдается максимальное рассеивание синего, в то время, как рассеивание красного и зеленого значительно ниже.

Маслоемкость

это способность частиц пигмента удерживать на своей поверхности определенное количество масла. Выражается она в граммах на 100 грамм пигмента и колеблется обычно от 10 до 20.

Укрывистость

способность пигмента при равномерном распределении в объеме делать невидимым цвет исходного материала. Укрывистость выражается в граммах пигмента, необходимого для того, чтобы сделать невидимым цвет поверхности площадью 1 м2. Белые пигменты обеспечивают укрывистость путем рассеивания световой волны любой длины видимого спектра. Чем меньше будет этот показатель, тем ниже расходная норма диоксида титана в композиции.

Цвет

свойство тел вызывать определенное зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом и интенсивностью отражаемого или испускаемого ими видимого излучения. Сухой диоксид титана характеризуется высокой яркостью, белизной и его отражающая способность близка к отражающей способности идеального диффузора.

Светостойкость

свойство материала сохранять свой цвет под воздействием световых лучей. В процессе эксплуатации изделия, особенно наружного применения, изменяют свой первоначальный цвет под воздействием ультрафиолетовых лучей естественного света и источников искуственного освещения, излучающих ультрафиолетовые лучи.

Атмосферостойкость

свойство полимерных композиций сопротивляться разрушающему действию солнечных лучей, дождя, мороза, снега, ветра и других атмосферных факторов (например, газов и пыли, загрязняющих нижние слои атмосферы).

Обработка поверхности необходима для увеличения устойчивости к внешним воздействиям. Неорганическая (Al2O3, SiO2) увеличивает стойкость частиц диоксида титана к кислотному воздействию, которое может приводить к разрушению частиц пигмента. Органическая обработка улучшает распределение частиц пигмента в объеме композиции.

Физические свойства диоксида титана

Чистый диоксид титана представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, желтеющее при нагревании. В тонкораздробленном состоянии - белый порошок. Практически не растворяется в воде и минеральных кислотах, кроме плавиковой и концентрированной серной. Температура плавления для рутила: 1870°C. Температура кипения для рутила: 2500°C. Плотность при 20°C для рутила: 4,235 г/см3.

Химические свойства диоксида титана

Диоксид титана является амфотерным оксидом, то есть проявляет как кислотные, так и основные свойства.

Медленно реагирует с концентрированной серной кислотой, растворяясь в ней с образованием соответствующего сульфата:

TiO2+ 2H2SO4 = Ti(SO4)2 + 2H2O

Также диоксид титана постепенно растворяется в концентрированных растворах щелочей, например, в гидроксиде натрия, образуя титанаты (производные титановой кислоты):

TiO2 + 2NaOH = Na2TiO3+ H2O

При нагревании диоксида титана в атмосфере аммиака образуется нитрид титана:

4TiO2 + 4NH3 = 4TiN + 6H2O + O2

Сильными восстановителями, например, активными металлами (Ca, Mg, Na), углеродом или водородом при высокой температуре диоксид титана восстанавливается до низших оксидов. При нагревании с углеродом в атмосфере хлора образуется тетрахлорид титана TiCl4 - этот прием используется в промышленном масштабе для очистки титана от различного рода примесей.

Токсические свойства диоксида титана

Будучи химически инертным, диоксид титана является малоопасным веществом. В организм может поступать в виде аэрозоля при вдыхании или при приеме внутрь.

Области применения

Лакокрасочные материалы:

декоративные, архитектурные краски; эмульсионные полуматовые краски; эмульсионные глянцевые краски; грунтовки, подложки, шпаклевки; краски на основе растворителя – глянцевые; штукатурные растворы; силикатные краски; покрытия для древесных материалов; цементный штукатурный раствор; краски промышленного назначения; штукатурка на основе синтетических смол; полимерные покрытия; краски для ремонтных работ; мелкозернистые порошковые краски; уф / uv - отверждаемые краски; краски, отверждаемые кислотным отвердителем; порошковые покрытия; полиуретановые покрытия; эпоксидные покрытия; краски для дорожной разметки; краски для судовых покрытий; высоконаполненные краски; электроосаждаемые краски; печатные краски.

Пластики:

высокопрочный поливинилхлорид (для помещений); резина; термопластмасса; термореактивный пластик; пластмассы на основе ненасыщенных полиэфиров; эластомеры, каучук; покрытия для пола (линолеум)

Бумага и картон:

бумажные покрытия; обои; парафиновая бумага; цветная бумага

Синтетические волокна / ткани:

для матирования скрученного волокна

Косметика:

зубная паста, мыло и пр.

Пищевая промышленность:

карамель, жевательная резинка, сахар пудра и рафинад, лягушачьи лапки, курица, свиные и говяжьи языки, молочные поросята, мука, тесто, сахарная глазурь, джемы, молочные коктейли, брынза, сыворотка, сгущенное молоко, любая рыбо- и морепродукция и т.д.

Фармацевтическая промышленность:

пигментный диоксид титана, высокой химической чистоты, для придания, высокого отбеливающего и укрывистосного эффекта в фармацевтике.

Печатная краска:

для повышения стойкости покрытий к атмосферным воздействиям

Катализатор:

диоксид титана может быть использован как катализатор, как фотокатализатор и как инертный базовый керамический материал для активных компонентов.

Другие сферы использования:

предохранение древесины (повышение атмосферостойкости с помощью оптической фильтрации вредной для древесины солнечной радиации), наполнение резины, стеклянных эмалей, стекла и стеклянной керамики, электрокерамики, очистка воздуха, сварочные флюксы, твердые сплавы, химические промежуточные соединения, материалы, содержащие диоксид титана, подходящих для использования при высоких температурах (например, противопожарная защита печей с форсированной тягой), аналитическая и опытная хроматография жидкостей, декоративный бетон (для придания белизны цементной краске)

Основные применения диоксида титана:

производителей лакокрасочных материалов, в частности, титановых белил - 57 % от всего потребления (диоксид титана рутильной модификации обладает более высокими пигментными свойствами - светостойкостью, разбеливающей способностью и др.)

производство пластмасс - 21 %

производство ламинированной бумаги - 14 %

Другие применения диоксид титатана - в производстве резиновых изделий, стекольном производстве (термостойкое и оптическое стекло), как огнеупор (обмазка сварочных электродов и покрытий литейных форм), в косметических средствах (мыло и т. д.), в пищевой промышленности (пищевая добавка E171).

Диоксид титана может быть использован для изготовления солнечных батарей - превращения солнечного света в электроэнергию; для производства водорода; в сфере электроники для псевдоконденсаторов и т.д.

Способы получения

Пигменты диоксида титана существует в двух формах - анатазная и рутильная и производятся по двум технологическим схемам: сульфатный и хлорный способы.

По сравнению с сульфатным хлоридный способ является более экологически чистым и совершенным благодаря возможности осуществлять процесс в непрерывном режиме, что предполагает полную автоматизации производства. Однако он избирателен к сырью, а в связи с использованием хлора и высоких температур требует применения коррозионностойкого оборудования.

Хлорный метод:

Хлорный метод получения диоксида титана заключается в том, что исходным сырьем (полуфабрикатом) служит тетрахлорид титана. Из него диоксид титана можно получать методом гидролиза или сжиганием при высокой температуре. Тетрахлорид титана гидролизуется при нагревании водных растворов, либо в газовой фазе под действием паров воды.

Сульфатный метод:

Технология производства состоит из трёх этапов:

получение растворов сульфата титана (путём обработки ильменитовых концентратов серной кислотой). В результате получают смесь сульфата титана и сульфатов железа (II) и (III), последний восстанавливают металлическим железом до степени окисления железа +2. После восстановления на барабанных вакуум-фильтрах отделяют растворов сульфатов от шлама. Сульфат железа(II) отделяют в вакуум-кристаллизаторе.

гидролиз раствора сульфатных солей титана. Гидролиз проводят методом введения зародышей (их готовят осаждая Ti(OH)4 из растворов сульфата титана гидроксидом натрия). На этапе гидролиза образующиеся частицы гидролизата (гидратов диоксида титана) обладают высокой адсорбционной способностью, особенно по отношению к солям Fe3+, именно по этой причине на предыдущей стадии трёхвалентное железо восстанавливается до двухвалентного. Варьируя условия проведения гидролиза (концентрацию, длительность стадий, количество зародышей, кислотность и т. п.) можно добиться выхода частиц гидролизата с заданными свойствами, в зависимости от предполагаемого применения.

термообработка гидратов диоксида титана. На этом этапе, варьируя температуру сушки и используя добавки (такие, как оксид цинка, хлорид титана и используя другие методы можно провести рутилизацию (то есть перестройку оксида титана в рутильную модификацию). Для термообработки используют вращающиеся барабанные печи длиной 40-60 м. При термообработке испаряется вода (гидроксид титана и гидраты оксида титана переходят в форму диоксида титана), а также диоксид серы.

Добыча  диокисд титана

В последние годы чрезвычайно быстро растет производство диоксида титана в Китае.

В России пигментный диоксид титана не производят, но производят технические марки, используемые в металлургии. На территории СНГ диоксид титана производится на Украине предприятиями «Сумыхимпром», город Сумы, «Крымский титан», г. Армянск) и КП «Титано-магниевый комбинат» (г. Запорожье). Сумский государственный институт минеральных удобрений и пигментов (МИНДИП) в своих научно-исследовательских работах особое место уделяет технологиям получения оксида титана (IV) сульфатным способом: исследование, разработка новых марок, модернизация технологии и аппаратурного оформления процесса.

Нахождение в природе

В чистом виде в природе встречается в виде минералов рутила, анатаза и брукита (по строению первые два имеют тетрагональную, а последний - ромбическую сингонию), причём основную часть составляет рутил.

Третье в мире по запасам рутила месторождение находится в Рассказовском районе Тамбовской области. Крупные месторождения находятся также в Чили (Cerro Bianco), канадской провинции Квебек, Сьерра-Леоне.

диоксида титана, нанодиоксида титана, цветных титановых пигментов

Диоксид титана.

Синонимы:
Титана двуокись, Титана (IV) оксид, Титановый ангидрид, Титана (IV) окись, Titanium dioxide, CI 77891, Pigment white 6, Titanic acid anhydride, Titanium oxide

Высший оксид титана - диоксид - в природе встречается в трех модификациях - минералы рутил, анатаз и брукит, отличающиеся различным кристаллическим строением.

Методы получения разработаны только для диоксида титана со структурой рутила и анатаза.

Диоксид титана - вещество белого цвета, с температурой плавления 1870 °С, не растворим в воде и кислотах. При нагревании окрашивается в желтый цвет, исчезающий после охлаждения.

Основные свойства диоксида титана:

• высокая разбеливающая способность;
• хорошая совместимость с любым пленкообразователем;
• хорошая укрывистость;
• высокая атмосферо- и влагостойкость;
• нетоксичность;
• химическая стойкость.

Эти свойства обусловили сферы его основного применения.

Основные области применения диоксида титана:

• производство лакокрасочных материалов;
• производство пластмасс;
• производство резино-технических изделий (РТИ);
• производство бумаги;
• производство химических волокон и другое.

Большая часть производимого в мире диоксида титана (59%) используется при получении лакокрасочной продукции. Это основной белый пигмент, позволяющий не только получать покрытия разнообразной цветовой гаммы, но и значительно улучшать их свойства.

По своим свойствам в качестве пигмента и наполнителя диоксид титана значительно превосходит цинковые белила, сульфид цинка, литопон. Поэтому среди общего ассортимента применяемых пигментов на его долю приходится 90%.

Диоксид титана довольно дорог и его доля в общей стоимости лакокрасочных материалов (ЛКМ) достигает 10-25%. Поэтому все изготовители лакокрасочной продукции стремятся по возможности сократить использование диоксида титана в рецептурах ЛКМ путем его частичной замены более дешевыми аналогами.

Однако диоксид титана не имеет альтернативы в потреблении этого важнейшего компонента лакокрасочных рецептур.

Диоксид титана является наиболее распространенным белым пигментом в лакокрасочной промышленности. Он находит широкое применение в производстве полиграфических красок, пластических масс, линолеума, резины и других материалов; используется для матирования синтетических и искусственных волокон, в радиотехнической и электронной промышленности, а также во многих других областях народного хозяйства. Непигментные сорта диоксида титана, содержащие незначительное количество примесей и для которых не существенны пигментные свойства, применяются в производстве различных титансодержащих сплавов (марки «специальная» и «легированная»), электродов (марки Т-Э), силикатных эмалей (марки ТСЭ), специальных сортов стекол (марки А-Н).

Нанодиоксид титана

Последние годы отмечены быстро растущим спросом на новый вид продукции — высокочистый нанодиоксид титана, который обладает уникальными фотокаталитическими свойствами и имеет широкие возможности применения в солнечных батареях. Использование нанопорошков диоксида титана снижает стоимость 1 кВт.ч в 5 раз по сравнению с аналогами на основе кремниевых полупроводниковых материалов. Кроме того, нанодиоксид применяют в космической отрасли и производстве специальных пластмасс для защиты от ультрафиолетового излучения, при изготовлении самоочищающихся стекол, фотокатализаторов, электрохромных дисплеев. Способ получения нанодисперсного диоксида титана основан на низкотемпературном (200-500 °С) сжигании очищенного тетрахлорида титана в присутствии катализатора в паровой фазе. В зависимости от условий процесса получают рентгеноаморфный, анатазный или рутильный TiO2. Экспериментальные образцы такого продукта имеют частицы размером от 10 до 20 нм.

Цветные титановые пигменты

Цветные титановые пигменты являются новым продуктом на рынке титановой продукции, однако благодаря своим высокотехнологичным свойствам для данного вида пигментов имеется достаточно устойчивый и широкий рынок. Пигмент отличается высокими показателями укрывистости, атмосферостойкости, цветостойкости, имеет устойчивую окраску светло-кирпичных, коричневато-желтых и бежевых тонов, не содержит токсичных компонентов, может полностью или частично заменить диоксид титана в масляных красках и эмалях соответствующих цветов или использоваться в качестве самостоятельного пигмента-наполнителя.

Двуокись титана пигментная

Пигментная двуокись титана (ГОСТ 9808-84) - синтетический неорганический пигмент белого цвета, анатазной и рутильной форм, получаемый гидролизом растворов сернокислого титана с последующим прокаливанием гидратированной двуокиси титана.

Формула: TiO 2 .

В зависимости от кристаллической структуры выпускают две формы двуокиси титана: Р - рутильная и А - анатазная. При наличии поверхностной обработки в условной обозначение марки добавляется индекс «0». В зависимости от области применения двуокись титана изготовляют следующих марок: Р-1, Р-02, Р-03, Р-04, Р-05; А-1, А-2, А-01, А-02. Пигментная двуокись титана марки Р-02 предназначается для производства лакокрасочных материалов, в том числе вододисперсионных, с хорошей атмосферостойкостью; пластмасс; искусственных кож; пленочных метериалов.

Пигментная двуокись титана пожаро- и взрывобезопасна, по степени воздействия на организм относится к веществам 4-го класса опасности.

Пигментную двуокись титана хранят в закрытых складских помещениях при температуре окружающей среды от минус 40 до плюс 40 °С. Не допускается хранение в упакованном виде на площадках или под навесом. Допускается хранение продукта, упакованного в мягкие специализированные контейнеры, на открытых площадках. При хранении тару укладывают в штабели высотой не более 3 м на подкладки или деревянные поддоны.

Высокочистый диоксид титана используется в электронной промышленности для производства титанитов ультравысокого качества для поглощения ультрафиолетовых лучей, светочувствительный диоксид титана — для цветного копирования.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДИОКСИДА ТИТАНА (включая нанодиоксид титана и цветные титановые пигменты)

Наиболее важное значение из всех неорганических пигментов имеют белые. За рубежом основным белым пигментом является диоксид титана. По оценкам зарубежных экспертов, в настоящее время его доля в суммарном потреблении неорганических пигментов составляет 65-70%, а в потреблении белых пигментов - более 90%.

Ведущая роль диоксида титана в группе белых пигментов обусловлена высоким уровнем свойств, характеризующих этот продукт, - способность диспергироваться, тепло- и химическая стойкость, разбеливающая способность, атмосферостойкость, коэффициент преломления и др.

В качестве пигмента диоксид титана используется в лакокрасочной и целлюлозно-бумажной отраслях промышленности, в производствах пластмасс и резинотехнических изделий.

Диоксид титана - универсальный отбеливатель для применения в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности.

Применение в пищевой промышленности: для отбеливания всех сортов рыбного фарша, филе, полуфабрикатов, сурими, паштетов и других продуктов. Диоксид титана так же широко применяется в кондитерской промышленности для придания белизны сахарной глазури, конфетам.

Перечень других областей применения приведен ниже:

• непрозрачный агент;
• косметическое производство;
• радиоактивное обезвреживание кожи;
• производство стекла и керамики;
• эмалевые фритты;
• матирование синтетических волокон;
• печатные краски;
• сварочные стержни;
• высокотемпературные датчики (единичные кристаллы TiO 2).

В косметическом производстве используется высокоочищенный и тонкодисперсный диоксид титана, обладающий способностью отражать УФ-лучи.

Относится к неорганическим УФ-фильтрам. Такие УФ-фильтры не вызывают аллергию и не раздражают кожу, однако в составе солнцезащитных средств они могут окрашивать её в белый цвет. Для того чтобы физические УФ-фильтры не были видны на коже, частицы диоксида титана стараются сделать более мелкими. Однако здесь есть свой предел - очень мелкие частицы диоксида титана могут играть роль фотокатализатора, то есть вещества, усиливающего повреждающее действие УФ-излучения. Также, слишком мелкие частички диоксида титана способны накапливаться в кожном покрове. В зависимости от конкретных условий его применяют как наполнитель, как белый пигмент, как фотозащитную добавку в различных изделиях - пудре, тенях для век, губной помаде, антиперспирантах, защитных кремах, На основе диоксида титана получают более совершенные виды косметического сырья, например, перламутровый пигмент (титанированную слюду).

Пигментный диоксид титана является одним из важнейших промышленных неорганических материалов, по уровню потребления которого можно судить об экономическом, научно-техническом потенциале государства и качестве жизни населения.

Спрос на него обусловлен ростом объемов строительства, производства товаров народного потребления, развитием машиностроения и других отраслей экономики, в т. ч. и тех, продукция которых требует нанесения стойких покрытий. В экономически развитых странах на эти цели расходуется до 90-95% TiO 2 . Потребление пигментного диоксида титана составляет 2-4 кг на душу населения, в России же — только 0,3 кг, причем преимущественно за счет импорта.

В ближайшие годы наиболее высокими темпами будет расти потребление TiO 2 в производстве ламинированной бумаги (на 4-6% в год) и пластмасс (4% в год), в лакокрасочной же промышленности — не более 2% в год. Тем не менее, по оценкам европейских экспертов, при изготовлении ЛКМ используется 58-62% мирового выпуска диоксида титана. Как следствие, из производства постепенно вытесняются краски на основе цинка, бария и свинца, среднее содержание в красках которого составляет 25%.

Следует отметить новую и быстро растущую область потребления двуокиси титана - применение его в виде микрочастиц в нанотехнологии, хотя современный мировой объем потребления этих частиц еще не превышает 2 тыс. т.

Принимая во внимание значительные резервы увеличения емкости рынка пигментного TiO 2 в Азиатско-Тихоокеанском регионе, а также возможности развития новых областей использования продукта, можно заключить, что этот сегмент мирового рынка имеет хорошие перспективы.

Мировое потребление нанодиоксида титана оценивается в 2400 т в год, 50% из которых идёт на производство косметики.

Диоксид титана (двуокись титана, Е171) – пищевая добавка, являющаяся белым красящим веществом.

Представляет собой прозрачный кристаллический порошок, желтеющий при нагревании. Встречается в природе в трех вариациях: в виде минералов анатаза, рутила и брукита, имеющих различное кристаллическое строение. Для получения вещества используется только диоксид титана со структурой анатаза и рутила.

Диоксид титана пищевой разрешен к использованию в промышленности с 1994 года в качестве красителя для придания продуктам питания отбеливающего эффекта.

В товарной форме диоксид титана обычно является чистым веществом, в котором присутствует незначительное количество примесей диоксида кремния и оксида алюминия, улучшающих технологичность продукта.

К основным свойствам диоксида титана относятся:

• Высокая отбеливающая способность;
• Химическая стойкость;
• Нетоксичность;
• Высокая влаго- и атмосферостойкость.

На запах и вкус продуктов диоксид титана влияния не оказывает, его главное предназначение заключается в придании продуктам более аппетитного внешнего вида. Пищевая добавка наделяет продукты идеальной белизной, столь привлекательной для потребителя.

Применение диоксида титана

В пищевой промышленности диоксид титана используется в качестве пищевой добавки E171, применяемой для производства быстрых завтраков, сухого молока, порошкообразных продуктов. С помощью двуокиси титана отбеливаются крабовые палочки и прочие аналоги рыбных изделий, жевательные резинки, майонез, а также осветляются глазурь, белый шоколад, конфеты и т.д.

В производстве пельменей диоксид титана применяется для осветления муки. Дозировка Е171 подбирается в зависимости от необходимой белизны теста. При этом требуемое количество красителя вносится в массу вместе с мукой и тщательно перемешивается для максимального распределения вещества. Закладка диоксида титана составляет 100-200 грамм на 100 кг муки.

В мясоперерабатывающей промышленности диоксид титана, к свойствам которого относятся хорошая диспергируемость (эмульгирование) и оптическая привлекательность, используется для отбеливания шпика, паштетов и деликатесной продукции.

Применяется диоксид титана и в производстве растительных консервов, в частности в целях осветления тертого хрена.

Вред диоксида титана

Официальные клинические исследования до сегодняшнего дня не смогли выявить какие-либо негативные последствия от приема пищевой добавки E171. Согласно данным, диоксид титана не растворяется в желудочном соке и практически не всасывается организмом через стенки кишечника. Таким образом, двуокись титана не накапливается в тканях, полностью выводясь из организма.

СанПин 2.3.2.1293-03 разрешает производителям продуктов, употребляемых в пищу, использовать диоксид титана в объемах, которые с точки зрения производителей позволяют им добиться необходимого технологического эффекта.

Однако, предположение о потенциальном вреде диоксида титана все же имеется: как показали исследования на крысах, вдыхание порошка двуокиси титана повышает вероятность возникновения раковых заболеваний, являясь канцерогенным и для человека.

Некоторые ученые предполагают, что наночастицы вещества способны разрушать организм на клеточном уровне, разрушая их природное строение, однако точных подтверждений данному факту, кроме испытаний на грызунах, не имеется.

Несмотря на то, что применяемый в пищевых продуктах диоксид титана считается безвредным, изучение ее влияния на организм продолжаются. Превышать рекомендованную дозировку пищевого диоксида титана (1% в сутки) людям со слабым иммунитетом не желательно.

Всем привет. Думаю, вы, перед тем как купить какую-то продукцию знакомитесь с ее составом. Вот и я всегда так делаю. В составе многих косметических средств можно увидеть диоксид титана. Я встречала такие надписи: titanium dioxide, micronized titanium dioxide. А также titanium dioxide , ci 77891. Естественно мне стало интересно диоксид титана что это такое. И есть ли какой-то вред от данного вещества? Давайте разберемся вместе.

В природе данное вещество встречается в виде трех минералов: рутила, анатаза и брукита. Чистая двуокись представляет собой бесцветные кристаллы, при нагревании они желтеют.

В косметической промышленности двуокись титана применяют в раздробленном состоянии. Она представляет собой белую пудру, не растворимую в воде. По консистенции напоминает мел, что хорошо видно на фото порошка. Как видите, вещество имеет природное происхождение. Т.е. это не синтетический продукт и не органика.

По своим химическим свойствам двуокись абсолютно инертна. Это значит, что она не вступает в реакцию с другими веществами.

Т.е. при добавлении ее в различные средства никаких дополнительных соединений она не образует. Это говорит о ее безвредности. Частично растворяется в соляной кислоте. Т.е. с соединениями хлора реакция возможна.

Титан не является летучим. Из организма выводится практически полностью. Мелкие частицы диоксида обладают способностью отражать УФА-излучение. Именно это излучение вызывает такое смертельное заболевание, как меланома. Также частички двуокиси отражают УФВ-излучение, которое приводит к раку кожи.

Применение двуокиси титана

Применение данного вещества довольно обширно. Его активно используют в мыловарении, в косметике и пищевой промышленности. В составе продуктов двуокись вы найдете по мркировке Е171. По сути – это краситель, вещество используется для придания продукту белого цвета. Такое широкое применение двуокись титана получила из-за своей не токсичности. А также хорошей отбеливающей способности и стойкости к влаге.

Титан также используют в производстве бумаги, пластмасс, лакокрасочной промышленности. Рассуждая о вреде, давайте просто посмотрим, где добавку Е171 применяют в пищевой промышленности:

• в завтраки быстрого приготовления
• крабовые палочки
• сухое молоко
• майонез
• белый шоколад
• муку (на 100 кг муки разрешено добавлять от 100 до 200 г диоксида)
• в кондитерской промышленности - осветление глазури и т.д.

Применение настолько широко, что думать о колоссальном вреде организму просто смешно. Ведь двуокись встречается практически везде: в мыле, зубной пасте, креме, продуктах. Почему диоксид получил такое широкое применение в косметике? И насколько это оправданно - давайте разбираться.

Для чего титан применяют в косметике

Как я уже говорила основное применение вещества – как красителя. В косметике тоже самое – белоснежный цвет крема, мыла, пасты – это двуоксись титана. В составе пудры и тональных кремов вещество применяют для создания нужного оттенка.

Концентрация в пудре не более 15%, в тональном креме не более 10%

Но основное и незаменимое свойство титана в косметике – это все же защита от ультрафиолета. Плюс к этому вещество гипоаллергенно, оно не раздражает кожу. Поэтому добавляется даже в кремы для самых маленьких.

В ЕС и США диоксид разрешен не только в косметической и пищевой промышленности. Его успешно применяют для окрашивания лекарственных средств. Также и в РФ – капсулы и таблетки окрашивают титаном.

В косметической, фармацевтической и пищевой промышленности двуокись тщательно очищают и очень мелко дробят. А в дезодоранты, помады и пудры, порошок попадает в виде нано частиц. Вот вокруг этих наночастичек и идут споры.

Двуокись титана – вредна или нет

Недавние исследования показали, что солнцезащитная косметика с этим веществом бесполезна в бассейнах. Т.е. при купании в хлорированной воде диоксид сразу смывается с тела. И, естественно, теряет свои свойства. А вот в морской воде выдерживаете до 4-х заходов в воду. Что можно сказать по этому поводу? Здесь скорее речь не о вреде. А о неспособности крема выполнить свои функции при определенных условиях.

Были и другие исследования о якобы биохимическом воздействии двуокиси на клетки. Титан на клеточном уровне может мешать передаче сигналов. При этом двуокись должна попадать в организм через пищу. Сразу скажу, исследования были проведены минимальные.

По токсикологии и аллергии уровень опасности низкий. Что касается онкологии – ниже среднего. Вы должны понимать, что нужно есть двуокись большими ложками и длительно. Тогда есть вероятность спровоцировать онкопроцесс. Все опыты проводились на животных и дозы им давались максимальные. В здравом уме мы не станем диоксид титана употреблять в таком количестве.

Американская независимая организация EWG делит диоксид на обычный и солнцезащитный. Эта организация составляет рейтинг опасных веществ. Так вот солнцезащитным диоксид становится при измельчении до нано частиц.

Нано частица имеет размер менее 100 нм в диаметре. Для солнцезащитной косметики применяют диоксид с размером частиц около 25 нм

Существует предположение, что нано частицы могут через кожу попадать в кровь. А кровью они будут разноситься по организму, попадать в клетки и мозг. Также предполагают, что нано частицы могут накапливаться в организме. Но вы же понимаете, никто не проводил многолетние исследования. Допустим, какие изменения в организме происходят, если 10 лет использовать пудру с диоксидом.

Вот и получается - то, что нано частицы могут накапливаться в коже, вообще только предположили . Ведь это нужно ждать десятки лет, чтобы подтвердить или опровергнуть данные опасения. Поэтому лично я не нашла ни одного опытного исследования о вреде нано частиц двуокиси.

Если у вас все еще остались сомнения загляните на сайт EWG . Они утверждают, что лучше всего защищает от солнца оксид цинка и диоксид титана. Если бы вещество было опасно, неужели его одобрили бы практически все страны мира?

Примеры косметики с titanium dioxide

Этот природный минерал присутствует во многих косметических средствах. С некоторыми из них я вас сейчас познакомлю. И фото такой косметики я для вас припасла.

Спрей - активатор загара от Виши SPF 50+ . Это косметическое средство обеспечивает интенсивное увлажнение. Также оно позволяет быстро добиться стойкого и естественного загара. Данный флюид гипоаллергенный – может использоваться для ухода за чувствительной кожей.

Солнцезащитное средство для детей . Выпускается оно со значком SPF 50+. В составе данного косметического средства присутствует инновационный солнечный фильтр Mexoplex®. Выдерживает до 6 купаний в воде по 20 минут. Можно пользоваться всей семьей.

Что такое двуокись титана?

Оксид титана(IV), диоксид титана, двуокись титана

амфотерный оксид четырехвалентного титана. Является основным продуктом титановой индустрии (на производство чистого титана идет лишь около 5 % титановой руды).

Техническое описание.

Чистый диоксид титана (TiO 2) - это бесцветное твердое кристаллическое вещество. Несмотря на бесцветность, в больших количествах диоксид титана чрезвычайно эффективный белый пигмент, если он хорошо очищен. TiO 2 практически не поглощает никакого падающего света в видимой области спектра. Свет или передается, или преломляется через кристалл или же отражается на поверхностях. TiO 2 - это стабильное (самый стабильное из всех известных белых пигментов), нелетучее, нерастворимое в кислотах, щелочах и растворах при нормальных условиях вещество. Двуокись титана отличается высокой реакционной устойчивостью к различным соединениям, в том числе и к токсичным, содержащимся в воздушной среде. Из-за своей инертности, диоксид титана не токсичен и, в общем, считается очень безопасным веществом. Он может контактировать с продуктами в упаковке, а в определенных концентрациях его можно использовать и как пищевой краситель.
Диоксид титана не растворяется в воде и разбавленных минеральных кислотах (кроме плавиковой) и разбавленных растворах щелочей.

Пигментный диоксид титана существуют в двух формах - анатазная и рутильная и производится по двум технологическим схемам: сульфатный и хлорный способы. Обе формы могут быть произведены любым из способов.
По сравнению с сульфатным хлорный способ является более экологически чистым и совершенным благодаря возможности осуществлять процесс в непрерывном режиме, что предполагает полную автоматизацию производства. Однако хлорный способ избирателен к сырью, а в связи с использованием хлора и высоких температур требует применения коррозионностойкого оборудования.
Двуокись титана, TiO 2 , - соединение титана с кислородом, в котором титан четырехвалентен. Белый порошок, желтый в нагретом состоянии. Встречается в природе главным образом в виде минерала рутила. Температура плавления - 1855° С, температура кипения - 2500-3000° C. Плотность 3,9 - 4,25 г/см³. Практически нерастворима в щелочах и кислотах, за исключением HF. В концентрированной Н 2 SO 4 растворяется лишь при длительном нагревании. При сплавлении двуокиси титана с едкими или углекислыми щелочами образуются титанаты, которые легко гидролизуются с образованием на холоду ортотитановой кислоты (или гидрата) Ti(OH) 4 , легко растворимой в кислотах. При стоянии она переходит в мстатитановую кислоту (форма), имеющую микрокристаллическую структуру и растворимую лишь в горячей концентрированной серной и фтористоводородной кислотах. Большинство титанатов практически нерастворимы в воде.
Основные свойства двуокиси титана выражены сильнее кислотных, но соли, в которых титан является катионом, также в значительной мере гидролизуются с образованием двухвалентного радикала титанила TiO 2 +. Последний входит в состав солей в качестве катиона (например, сернокислый титанил TiOSO 4 .2H 2 O). Двуокись титана является одним из важнейших соединений титана, служит исходным материалом для получения других его соединений, а также частично металлического титана. Используется главным образом как минеральная краска, кроме того, как наполнитель в производстве резины и пластических металлов. Входит в состав тугоплавких стекол, глазурей, форфоровых масс. Из нее изготовляют искусственные драгоценные камни, босцветные и окрашенные.
TiO 2 - один из важнейших неорганических соединений, потребляемых современной промышленностью, уникальные свойства диоксида титана определяют уровень технического прогресса в различных секторах мировой экономики.
Диоксид титана пигментный является наиболее востребованным товаром на мировом рынке. Мировой объем его производства - 4,5 млн т.

Строение.

Оксид титана существует в виде нескольких модификаций. В природе встречаются кристаллы с тетрагональной сингонией (анатаз, рутил) и ромбической сингонией (брукит). Искусственно получены еще две модификации высокого давления - ромбическая IV и гексагональная V. Следует отметить, что брукит промышленно почти не производится и в природе встречается редко. Анатазная форма также существенно уступает по производству рутильной, так как хуже рассеивает свет и менее атмосферостойка.

Характеристики кристаллической решетки

При нагревании и анатаз, и брукит необратимо превращаются в рутил (температуры перехода соответственно 400-1000° C и около 750° C). Основой структур этих модификаций являются октаэдры TiO 6 , то есть каждый ион Ti 4+ окружен шестью ионами O 2- , а каждый ион O 2- окружен тремя ионами Ti 4+ . Октаэдры расположены таким образом, что каждый ион кислорода принадлежит трем октаэдрам. В анатазе на один октаэдр приходятся 4 общих ребра, в рутиле - 2.

Нахождение в природе.

В чистом виде в природе встречается в виде минералов рутила, анатаза и брукита (по строению первые два имеют тетрагональную, а последний - ромбическую сингонию), причем основную часть составляет рутил.
Третье в мире по запасам рутила месторождение находится в Рассказовском районе Тамбовской области. Крупные месторождения находятся также в Чили (Cerro Bianco), канадской провинции Квебек, Сьерра-Леоне.

Рутил или анатаз?

TiO 2 - встречается в природе трех основных кристаллических формах: антаз, рутил и брукит, последний в природе встречаются редко и коммерческого интереса не представляет. Рутильный диоксид примерно на 30% лучше рассеивает свет (лучше укрывистость), чем анатазный, поэтому последний используется гораздо реже. К тому же, анатаз менее атмосферостоек, чем рутил. Анатаз гораздо хуже работает в защите полимера (акрилата, пластмассы) от УФ лучей и приводит к фотокатализу (разрушению материала под воздействием солнечного света) и потере свойств полимера (происходит деструкция, выцветание, меление и т.д.). Таким образом, именно рутильная форма диоксида титана является единственным и безальтернативным белым пигментом в стандартных областях промышленности (краски, пластмассы, бумага) для придания белизны, укрывистости (кол-во пигмента в граммах, чтобы укрыть 1 кв. м. контрастной поверхности) и стабильности системе пигмент + носитель. Единственное обоснованное применение анатазного титана - это краски для дорожной разметки. В данном типе карски проявляются некоторые специфические свойства данной формы.

Свойства и технологии.

Диоксид титана широко применяется при производстве изделий из полимеров. Данный материал давно известен как отличный белый пигмент, и именно в этом качестве он знаком большинству людей…
Вместе с тем, диоксид титана привнес в полимерную промышленность не только возможность получать сверкающие белизной поверхности. По своей природе, диоксид титана является фотоактивным материалом, и как раз эта способность взаимодействовать со светом придает ему особую ценность. Так, например, подобное взаимодействие может принимать форму обычного рассеяния света, что обеспечивает непрозрачность материала, или форму поглощения энергии ультрафиолетового спектра света, что защищает полимер от деструкции под воздействием ультрафиолетового излучения. Эффект взаимодействия частиц диоксида титана со светом продолжает находить на практике все более широкое применение.
На фоне появления самых различных вариантов практического применения диоксида титана его пигментные свойства продолжают сохранять наипервейшую значимость. Диоксид титана считается в полимерной промышленности основным белым пигментом. Он широко используется, поскольку эффективно рассеивает видимый свет, придавая тем самым пластиковому продукту, в котором он содержится, белизну, яркость и непрозрачность. Вещество химически инертно, не растворяется в полимерах и отличается высокой термостойкостью при самых жестких условиях обработки. Промышленный диоксид титана поставляется в виде двух кристаллических модификаций, именуемых анатаз и рутил. При выборе между ними предпочтение отдается рутиловым пигментам, поскольку они лучше рассеивают свет, более устойчивы и в меньшей степени способствуют фотодеструкции.
Практически отсутствуют промышленно выпускаемые пигменты, изготавливаемые из чистого диоксида титана. Большинство из них имеют неорганическую, а в некоторых случаях органическую обработку, наносимую на поверхность частиц TiO 2 путем осаждения, механического перемешивания или каким-либо другим способом. Подобные способы поверхностной обработки приводят к улучшению одного, а то и нескольких эксплуатационных свойств пигмента, к которым можно отнести легкость диспергирования, устойчивость к атмосферным воздействиям или цветостойкость. Пока еще не найден универсальный способ поверхностной обработки, который бы позволял получать пигмент, максимально пригодный для любых практических применений, так что цель непрекращающихся исследований - продолжать разрабатывать новые марки диоксида титана, которые бы отвечали непрерывно изменяющимся требованиям индустрии пластмасс.
Светорассеивающие свойства: диоксид титана обеспечивает укрывистость путем рассеивания светаВ отличие от цветных пигментов, которые обеспечивают укрывистость за счет поглощения определенных длин волн видимого спектра света, диоксид титана и прочие белые пигменты достигают этого путем рассеивания света. Эффект рассеивания в этом случае возможен благодаря тому, что белый пигмент преломляет свет. Если в композиции достаточное количество пигмента, то весь свет, падающий на ее поверхность, за исключением малой части, которая поглощается полимером или пигментом, рассеется вовне, и композиция будет смотреться белой и непрозрачной. Рассеяние света сопровождается преломлением и дифракцией световых лучей при их прохождении через частицы пигмента или вблизи них.

Физические и термодинамическе свойства.

Чистый диоксид титана - бесцветные кристаллы, которые желтеют при нагревании, но обесцвечиваются после охлаждения. Известен в виде нескольких модификаций. Кроме рутила (кубическая сингония), анатаза (тетрагональная сингония) и брукита (ромбическая сингония), получены две модификации высокого давления: ромбическая IV и гексагональная V. Брукит при всех условиях метастабилен. При нагревании анатаз и брукит необратимо превращаются в рутил соответственно при 400-1000° С и ~750° С. Как в рутиле, так и в анатазе каждый атом Ti находится в центре октаэдра и окружен 6 атомами кислорода. Октаэдры расположены таким образом, что каждый ион кислорода принадлежит трем октаэдрам. В анатазе на 1 октаэдр приходятся 4 общих ребра, в рутиле - 2.
Вследствие более плотной упаковки ионов в кристалле рутила увеличивается их взаимное притяжение, снижается фотохимическая активность, увеличиваются твердость (абразивность), показатель преломления (2,55 - у анатаза и 2,7 - у рутила), диэлектрическая постоянная. Диоксид титана не растворяется в воде и разбавленных минеральных кислотах (кроме плавиковой) и разбавленных растворах щелочей.
Для технических целей применяется в раздробленном состоянии, представляя собой белый порошок. Гидроксид TiO 2 xnH 2 O в зависимости от условий его осаждения может содержать переменное число связанных с титаном ОН-групп. Полученный при невысоких температурах TiO 2 xnH 2 O (альфа-форма) хорошо растворяется в разбавленных минеральных и сильных органических кислотах, но практически не растворяется в растворах щелочей, легко пептизируется с образованием устойчивых коллоидных растворов. После сушки на воздухе образует белый порошок плотностью 2,6 г/см³, приближающийся по составу к формуле TiO 2 x2H 2 O (метатитановая кислота).
Диоксид титана широко применяется в качестве белого пигмента в лакокрасочной промышленности, в целлюлозно-бумажной промышленности, в производстве синтетических волокон, пластмасс, резиновых изделий, в производстве керамических диэлектриков, термостойкого и оптического стекла, белой эмали, в качестве компонента обмазки электродов для электросварки и покрытий литейных форм.
Температура плавления для рутила - 1870° C (по другим данным - 1850° C, 1855° C).
Температура кипения для рутила - 2500° C.
Плотность при 20° C:
для рутила 4,235 г/см³;
для анатаза 4,05 г/см³ (3,95 г/см³);
для брукита 4,1 г/см³.
Температура разложения для рутила 2900° C.
Температура плавления, кипения и разложения для других модификаций не указана, т.к. они переходят в рутильную форму при нагревании (см. выше).

Средняя изобарная теплоемкость C p (Дж/моль.К) Термодинамические свойства

Вследствие более плотной упаковки ионов в кристалле рутила увеличивается их взаимное притяжение, снижается фотохимическая активность, увеличиваются твердость (абразивность), показатель преломления (2,55 - у анатаза и 2,7 - у рутила), диэлектрическая постоянная.

Химические свойства.

Диоксид титана амфотерен, то есть проявляет как основные, так и кислотные свойства (хотя реагирует главным образом с концентрированными кислотами).
Медленно растворяется в концентированной серной кислоте, образуя соответствующие соли четырехвалентного титана:
TiO 2 + 2H 2 SO 4 → Ti(SO 4) 2 + 2H 2 O.
В концентрированных растворах щелочей или при сплавлении с ними образуются титанаты - соли титановой кислоты (амфотерного гидроксида титана TiO(OH) 2):
TiO 2 + 2NaOH → Na 2 TiO 3 + H 2 O.
То же происходит и в концентрированных растворах карбонатов или гидрокарбонатов:
TiO 2 + K 2 CO 3 → K 2 TiO 3 + CO 2 TiO 2 + 2KHCO 3 → K 2 TiO 3 + 2CO 2 + H 2 O.
C перекисью водорода дает ортотитановую кислоту:
TiO 2 + 2H 2 O 2 → H 4 TiO 4 + О 2 .
При нагревании с аммиаком дает нитрид титана:
2TiO 2 + 4NH 3 →(t) 4TiN + 6H 2 O + O 2 .
При сплавлении с оксидами, гидроксидами и карбонатами образуются титанаты и двойные оксиды:
TiO 2 + BaO → BaO.TiO 2
TiO 2 + BaCO 3 → BaO.TiO 2 + CO 2
TiO 2 + Ba(OH) 2 → BaO.TiO 2 + H 2 O.
При нагревании восстанавливается углеродом и активными металлами (Mg, Ca, Na) до низших оксидов. При нагревании с хлором в присутствии восстановителей (углерода) образует тетрахлорид титана. Нагревание до 2200° C приводит сначала к отщеплению кислорода с образованием синего Ti 3 O 5 (то есть TiO 2 .Ti 2 O 3), а затем и темно-фиолетового Ti 2 O 3 .
Гидратированный диоксид TiO 2 nH 2 O [гидроксид титана(IV), оксо-гидрат титана, оксогидроксид титана] в зависимости от условий получения может содержать переменные количества связанных с Ti групп ОН, структурную воду, кислотные остатки и адсорбированные катионы. Полученный на холоде свежеосажденный TiO 2 .nH 2 O хорошо растворяется в разбавленных минеральных и сильных органических кислотах, но почти не растворяется в растворах щелочей. Легко пептизируется с образованием устойчивых коллоидных растворов. При высушивании на воздухе образует объемистый белый порошок плотностью 2,6 г/см³, приближающийся по составу к формуле TiO 2 .2H 2 O (ортотитановая кислота). При нагревании и длительной сушке в вакууме постепенно обезвоживается, приближаясь по составу к формуле TiO 2 H 2 O (метатитановая кислота). Осадки такого состава получаются при осаждении из горячих растворов, при взаимодействии металлического титана с HNO 3 и т. п. Их плотность ~ 3,2 г/см³ и выше. Они практически не растворяются в разбавленных кислотах, не способны пептизироваться.
При старении осадки TiO 2 .nH 2 O постепенно превращается в безводный диоксид, удерживающий в связанном состоянии адсорбированные катионы и анионы. Старение ускоряется кипячением суспензии с водой. Структура образующегося при старении TiO 2 определяется условиями осаждения. При осаждении аммиаком из солянокислых растворов при рН

Оптические свойства.

Главное свойство титана как пигмента - придавать яркий белый цвет носителю, куда он вносится. Цвет определяется в системе цветов Lab, где L - яркость цвета, а - краснота/зелень, b - желтизна/голубизна. В этой системе можно задать любой цвет. Поскольку диоксид титана белый либо бело-желтый пигмент, то обычно указывается только координаты L и b. На цвет конечного продукта помимо основных параметров очистки также влияет размер частиц. Так, например, среднеразмерные и крупнорзамерные диоксиды титана (от 25 нм) показывают высокую укрывистость и кроющую силу при содержании пигмента в связующем 15-30%. Данная концентрация стандартная величина для большинства красок. При концентрации пигмента 10%, как например, в пластиках, мелкие частицы диоксида титана обеспечивают хорошую укрывистость и кроющую силу.
Научное обоснование феномена.
Так как рутиловые пигменты абсорбируют излучение в ультрафиолетовой и коротковолновой области света, то появляются незначительная нехватка отраженного коротковолнового синего света, что приводит к легкому желтому оттенку. Смещая гранулометрический состав пигмента в сторону более мелких частиц, можно компенсировать это эффект. Можно также получить голубоватый оттенок в серых и цветных красках за счет создания более узкого диапазона размера частиц.

Токсические свойства и физиологическое действие.

TLV (предельная пороговая концентрация, США): как TWA (среднесменная концентрация, США) 10 мг/м³ A4 (ACGIH 2001).

ООН - 2546.
Будучи химически инертным, диоксид титана является малоопасным веществом. В организм может поступать в виде аэрозоля при вдыхании или при приеме внутрь.
ПДК в воздухе рабочей зоны - 10 мг/м³ (1998).
Молекулярная масса: 79.9.

Виды опасности	Симптомы	Предупреждение	Первая помощь
Пожарная опасность	Не горюче.		В случае возгорания в окрестностях: разрешены все средства пожаротушения.
Взрывоопасность		Не допускать рассеивания пыли!	Смачивание поверхности.
При вдыхании	Неприятные ощущения.	Местная вытяжная вентиляция или защита органов дыхания (фильтрующий респиратор P1).	Свежий воздух, покой.
При попадании на кожу			Ополоснуть и затем промыть кожу водой с мылом.
При попадании в глаза	Покраснение.	Защитные очки	Вначале промыть большим количеством воды в течение нескольких минут (снять контактные линзы, если это не трудно), затем доставить к врачу.
При проглатывании		Не принимать пищу, не пить и не курить во время работы.	Прополоскать рот.

Пигменты диоксида титана рутильной и анатазной формы.

TiO 2 - полиморфен и встречается в трех основных кристаллических формах. Существуют три формы, анатаз (октаэдрит), рутил и брукит, последний в природе встречаются редко и, хотя эту форму и готовят в лабораториях, коммерческого интереса она не представляет.
Рутильный диоксид примерно на 30% лучше рассеивает свет (укрывистость), чем анатазный, поэтому последний используется гораздо реже. К тому же, анатаз менее атмосферостоек, чем рутил.
Анатаз гораздо хуже работает в защите полимера (акрилата, пластмассы) от УФ лучей и приводит к фотокатализу и потере свойств полимера (происходит деструкция, выцветание, меление и т.д.).
Пигменты диоксида титана производятся по двум технологическим схемам: сульфатный и хлорный способы. Обе, анатазная и рутильная формы диоксида титана, могут быть произведены любым из способов.

Технические характеристики.
Сульфатный способ был внедрен в промышленность в 1931 г., для производства анатазной формы диоксида титана, а позже, в 1941 г. - рутильной. В этом способе руда, содержащая титан (ильменит и др.), растворяется в серной кислоте, образуя растворы сульфатов титана, железа и других металлов. Затем, в ряде химических реакций, включающих в себя химическое восстановление, очистку, осаждение, промывание и кальцинацию, образовывая базовый диоксид титана с необходимым размером частиц. Строение кристаллов (анатазная или рутильная форма) контролируется в процессе ядрообразования и кальцинации.
Хлорный способ был изобретен в 1950 г. для производства рутильной формы диоксида титана. Титансодержащая руда вступает в реакцию с хлорным газом при пониженном давлении, в результате чего образуется тетрахлорид титана TiCl4 и примеси хлоридов других металлов, которые впоследствии удаляются. TiCl4 высокой степени чистоты затем окисляют при высокой температуре, в результате чего образуется диоксид титана.

Диоксид титана как оболочковый пигмент.

Результат помола TiO 2 + наполнитель:

Оболочковый пигмент - композиционный материал, состоящий из частиц оптически нейтрального наполнителя покрытых слоем пигмента. Пигментный слой часто покрывается защитной пленкой для улучшения физических и химических характеристик.
Может быть получен при помощи обработки в механоактиваторах частиц наполнителя совместно с пигментом-цветоносителем, химическими модификаторами и поверхностно-активными веществами.
Состав белого оболочкового пигмента:
- наполнители: минералы природного или искусственного происхождения, например - волластонит, кальцит;
- пигмент: оксид титана;
- защитный слой: оксиды кремния, алюминия, циркония, церия и др.
Применение: Пигменты используются в лакокрасочной, строительной, полимерной, резинотехнической и других отраслях промышленности.

Области применения.

Диоксид титана используется в производстве широкого круга товаров различного назначения.
- Производство лакокрасочных материалов, в частности, титановых белил - 57% от всего потребления (диоксид титана рутильной модификации обладает более высокими пигментными свойствами - светостойкостью, разбеливающей способностью и др.), поскольку диоксид обладает отличными красящими свойствами. Это: краски (глянцевые, матовые и полуматовые, силикатные, кремнийорганические, порошковые, эмульсионные и с наполнителями для разнообразных строительных, ремонтных и промышленных работ, печати), лаки и эмали, смеси и растворы для грунтования, шпаклевки, штукатурки, цементирования, а также полиуретановые и эпоксидные покрытия, в том числе и для древесины. Диоксид, как и металл, белого цвета, поэтому используется он в качестве пигмента. Главное его достоинство - нетоксичность и безвредность. Кроме того, покрытия приобретают высокую стойкость к воздействиям ультрафиолета, не желтеют и практически не стареют.
- Более 20% объема производства двуокиси титана потребляется для изготовления пластических масс и изделий на их основе с высокими термическими свойствами (к примеру, оконный пластик, различная мебель, предметы быта, детали автомобилей, машин и техники), а также каучука, линолеума и резины. Здесь он выступает в роли наполнителя, обеспечивая стойкость изделий и поверхностей к изменениям светопогоды, сопротивление при смене среды, защиту от агрессивных факторов.
- Около 14% используется при производстве бумаги (белой, цветной, пропитанной), картона, обоев. Диоксид титана играет важную роль при пигментовании. Для придания бумаге гладкости, белости и высоких свойств при печати на поверхность наносят диоксид или его смеси с другими пигментами.
По различным прогнозам в ближайшее время наиболее высокими темпами будет расти потребление двуокиси титана для производства ламинированных сортов бумаги - примерно на 5-6% в год и пластмасс - 4%. При этом в производстве л/к материалов прирост хоть и будет, но в меньшей степени - всего 1,8-2% в год.

Другие области применения диоксида титана:
- Синтетические волокна и ткани: для матирования скрученного волокна.
- Косметика: для защиты от ультрафиолетовой радиации в солнцезащитных кремах, для придания высокого отбеливающего и укрывистостного заглушающего эффекта зубной пасте, мылу и т.д.
- Пищевая промышленность: для придания высокого отбеливающего и укрывистостного эффекта продуктам, для защиты цвета и упаковки (пластик) продуктов от ультрафиолетового излучения.
- Фармацевтическая промышленность: пигментный диоксид титана, высокой химической чистоты, для придания высокого отбеливающего и укрывистосного эффекта в фармацевтике.
- Печатная краска: для повышения стойкости покрытий к атмосферным воздействиям.
- Катализатор: диоксид титана может быть использован как катализатор, как фотокатализатор и как инертный базовый керамический материал для активных компонентов.
- Нанотехнологии: нанопорошки диоксида титана, использование диоксида титана для очистки воздуха в городах, бумага из нановолокна на основе диоксида титана, водородная энергетика и др.
- В производстве резиновых изделий, стекольном производстве (термостойкое и оптическое стекло), как огнеупор (обмазка сварочных электродов и покрытий литейных форм), в косметических средствах (мыло и т.д.), в пищевой промышленности (пищевая добавка E171).
Диоксид титана выступает в роли наполнителя, обеспечивая стойкость изделий и поверхностей к изменениям светопогоды, сопротивление при смене среды, защиту от агрессивных факторов.

Диоксид титана (двуокись) находит широчайшее применение как пигмент в лакокрасочной промышленности (титановые белила), в производстве бумаги, синтетических волокон, пластмасс, резиновых изделий, керамических диэлектриков, белой эмали, термостойкого и оптического стекла (в т.ч. для волоконной оптики), пищевых продуктов, лекарственных препаратов и косметических изделий (помады, лака для ногтей, тени для век и т.д.).
Двуокись титана входит в состав фарфоровых масс, тугоплавких стекол, керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.
Диоксид титана химической чистоты 99,9998% применяется при производстве оптоволоконных изделий, медицинского оборудования, в радиоэлектронной промышленности. При изготовлении сверхчистых стекол диоксид служит эталоном чистоты. Также он незаменим при выработке термостойкого и оптического стекла, как огнеупорное защитное покрытие при сварочных работах. При производстве керамики диоксид используется для придания максимальной белости черепку либо же эмали (ангобам).
Другие сферы использования: предохранение древесины (повышение атмосферостойкости с помощью оптической фильтрации вредной для древесины солнечной радиации), наполнение резины, стеклянных эмалей, стекла и стеклянной керамики, электрокерамики, очистка воздуха, сварочные флюксы, твердые сплавы, химические промежуточные соединения, материалы, содержащие диоксид титана, подходящих для использования при высоких температурах (например, противопожарная защита печей с форсированной тягой), аналитическая и опытная хроматография жидкостей.
Отдельно следует отметить диоксид титана чистотой 99,999% марки ОСЧ 7-5 (ТУ-б-09-01-640-84), который применяется в качестве эталона чистоты, в производстве оптически прозрачных стекол, в волоконной оптике, радиоэлектронике, для пьезокерамики, в медицинской промышленности и т.д. Это особо чистое химическое вещество, полученное методом термического гидролиза.
Для удовлетворения различных потребностей, описанных выше, TiO 2 применяют в различных фракциях, чьи характеристики специально адаптированы для соответствующего использования. В зависимости от применения, используют кристаллы различных форм (рутил и анатаз), размер частиц, а так же не и/или органическую обработку поверхностей.

Использование диоксида титана в лакокрасочных материалах (ЛКМ).

Вследствие очень высокой белизны тонкодисперсного диоксида титана он нашел широкое применение в качестве белого пигмента в лакокрасочной промышленности. В числе его преимуществ: нетоксичность, высокие оптические характеристики (способность к рассеиванию света), доступность, химическая инертность, атмосферостойкость и др. В далеком прошлом остались краски, приготовляемые с использованием цинковых или свинецсодержащих белых пигментов.
Итак, основной функцией диоксида титана в красках является придание им белого цвета. Есть, однако, у двуокиси титана TiO 2 и конкуренты в этом отношении. Это, прежде всего, мел и мраморный кальцит (CaCO 3). Оба этих пигмента тоже имеют белый цвет и по цене более доступны, чем диоксид титана. Именно поэтому большинство красок содержит не один пигмент, а их смесь.
В общем случае, чем больше диоксида титана в краске, тем она белее, тем выше ее укрывистость, но, обычно, и выше цена по сравнению с краской, где больше мела или мраморного кальцита и меньше диоксида титана. В соответствующей литературе можно встретить рекомендации по частичной замене двуокиси титана на тальк и окись алюминия. Впрочем, это тоже компромиссные решения, диктуемые экономическими соображениями.

Диоксид титана в пищевой промышленности.

Использование диоксида титана в пищевой промышленности очень многогранно. Двуокись титана (Е171) можно использовать практически в любых продуктах, которым для эстетического вида необходим белый цвет в дозировке 0,1 - 1%. О сферах использования мы зачастую узнаем от наших клиентов. Вот некоторые из них: карамель, жевательная резинка, сахар пудра и рафинад, лягушачьи лапки, курица, свиные и говяжьи языки, молочные поросята, мука, тесто, сахарная глазурь, джемы, молочные коктейли, брынза, сыворотка, сгущеное молоко, любая рыбо и морепродукция и т.д.
Применение в рыбоперерабатывающей промышленности: используется для отбеливания всех сортов рыбного фарша, филе, полуфабрикатов, сурими, паштетов и других продуктов (например кальмаров, мяса криля, рыбных отходов, крабовых палочек и пр.) при дозировке от 0,1 до 1%, в зависимости от степени отбеливания.
Окрашивание фарша:
Вносится в фарш на начальном этапе, лучше одновременно с фосфатами. В этом случае, кроме отбеливания, фарш сохранит влагу.
Окрашивание филе:
Для отбеливания филе, его погружают в водный раствор диоксида титана. Дозировка диоксида титана 25-50 гр на 100 кг объема (вода+сырье). В состав рассола должна входить соль (в небольшом количестве). Время выдержки в рассоле в среднем 20-30 минут. Для плохо поддающегося отбеливанию сырья диоксид титана развести в подходящей емкости небольшим количеством воды, хорошо перемешать, дать отстояться 40-60 минут и слить излишек воды. Филе погрузить в концентрированный рассол на 30-60 секунд, дать стечь излишкам раствора и слегка ополоснуть в промывочной емкости. Раствор пригоден для многократного использования в течение нескольких дней при условии добавления в него антисептиков, препятствующих развитию микрофлоры.

Технологии получения диоксида титана.

В зависимости от специфики строения кристаллической решетки диоксид титана в природе встречается в нескольких модификациях: кубическая сингония (рутил), тетрагональная сингония (анатаз) и реже - ромбическая сингония (брукит). При добывании в основном получают модификации анатаз и рутил двумя методами: сульфатным или хлоридным.
Пигментный диоксид титана (TiO 2) производится из титансодержащих концентратов хлоридным и сульфатным способами. По хлоридному способу (52% мировых мощностей по производству диоксида титана) рутил (природный или синтетический и так называемый «хлоридный» шлак) переводится в тетрахлорид титана TiCl 4 хлорированием в присутствии нефтяного кокса. В сульфатном процессе (48% мировых мощностей) ильменитовый концентрат или титановый шлак разлагается серной кислотой. Рутильный пигмент может изготавливаться любым способом, в то время как анатазный пигмент может изготавливаться только сульфатным способом. В тетрахлоридном методе TiCl 4 либо гидролизуют до гидроксида в жидкой фазе c последующей термообработкой выпавшего осадка, либо проводят гидролиз в парах воды, или же сжигают в токе кислорода.
Хлоридный метод проще сульфатного. Существуют три разновидности хлоридного метода получения диоксида. Соль титана гидролизируют в воде, а затем нерастворимый осадок гидроксида титана подвергают термическому воздействию для получения оксида титана. Можно проводить реакцию гидролиза при помощи водного пара и пара тетрахлоридной соли титана при температуре не ниже 1000 градусов, при этом диоксид приобретает свойства пигмента.
Третий способ состоит в сжигании хлорида титана в кислородной атмосфере.
Чаще всего исходным материалом для получения диоксида титана сульфатным методом служит ильменит - природная смесь различных оксидов, в основном четырехвалентного титана и трехвалентного ферума. При хлоридном методе исходным сырьем является хлоридная соль четырехвалентного металлического титана. Эти два метода позволяют добывать пигмент диоксид титана обеих модификаций.
Ильменитный метод состоит в обработке ильменитового концентрата серной кислотой. Полученный раствор сульфата титана (IV) очищают и обрабатывают раствором гидроксида натрия, в результате чего получается осадок гидроксида титана (IV). Осадок в дальнейшем подвергают термообработке.
Сульфатный метод был внедрен в производство в 1931 г., начавшись с выпуска анатазной формы Ti02, а позднее (1941 г.) было освоено изготовление рутила. При этой технологии руда, содержащая титан, растворяется в серной кислоте с образованием раствора сульфатов титана, железа и других металлов. Затем в результате выполнения последовательности операций, включающих химическое восстановление, очистку, осаждение, промывку и прокаливание, получают промежуточные фракции TiO 2 пигментного размера. Кристаллическая структура - анатаза или рутила - контролируется на этапах образования ядер кристаллизации и последующего прокаливания.
FeTiO 3 + 2H 2 SO 4 → TiOSO 4 + FeSO 4 + 2H 2 O TiOSO 4 + H 2 O → TiO 2 + H 2 SO 4 .
Хлоридный метод был разработан и внедрен в производство компанией DuPont в 1948 г., когда и начался выпуск рутильной модификации TiO 2 . Данный технологический процесс построен на двух высокотемпературных безводных парофазных реакциях. В условиях восстановления титановая руда взаимодействует с газообразным хлором с получением хлористого титана и побочных хлоридов других металлов, которые впоследствии отделяются. После этого прошедший тонкую очистку TiCI 4 окисляется при высокой температуре с получением промежуточной двуокиси титана высокой яркости. На этапе окисления в рамках хлорирования имеется возможность жестко контролировать распределение частиц по размерам, а также тип кристалла, что позволяет получать диоксид титана с отличными показателями по кроющей и разбеливающей способностям.
2FeTiO 3 + 7CI 2 + ЗС → 2TiCI 4 + 2FeCI 3 + 3CO 2 TiCI 4 + O 2 → TiO 2 + 2CI 2 .
В обоих технологических процессах - сульфатном и хлоридном - промежуточными продуктами являются скопления кристаллов TiO 2 пигментного размера, которые должны быть разделены (размельчены) для получения оптимальных оптических характеристик. В зависимости от требований конечного пользователя для модификации TiO 2 используются различные методы обработки, включая осаждение оксидов кремния, алюминия, циркония или цинка на поверхность пигментных фракций. С целью оптимизации рабочих характеристик для конкретных применений могут использоваться специальные методы обработки оксидами в водных или безводных средах или их различные комбинации. Кроме того, с помощью различных методов могут наноситься органические добавки с целью улучшения отдельных характеристик пигмента.
Важнейшим моментом для производства диоксида титана является поставка титановой руды. Хотя титан входит в десятку самых распространенных химических элементов на Земле, в природе он распространен в очень малых концентрациях. Так что для организации эффективной поставки титановой руды, которая смогла бы удовлетворить экономические потребности производства TiO 2 , необходимо внедрять рациональные методы добычи и обогащения этого минерала.

Производство хлорное или сульфатное?

Пигменты двуокиси титана производятся по двум технологическим схемам: сульфатный и хлорный способы. Обе, анатазная и рутильная формы диоксида титана, могут быть произведены любым из способов. Мировые мощности по производству диоксида титана хлорным способом превышают мощности сульфатного, и продолжают расти. Различия в техпроцессе заключаются в различных типах вещества для очистки титановой руды. При очистке серной кислотой (сульфатный процесс), частички примесей титановой руды образуют с серной кислотой соли, которые сложно в дальнейшем вычистить. При очистке хлором происходит сгорание примесей и конечный продукт получается более белым при прочих равных условиях.

Производство из ильменитового концентрата.

Исходным сырьем при производстве диоксида титана является ильменитовый концентрат.Ильменит - это руда, которая с химической точки зрения представляет собой смесь оксидов, большую часть из которых составляют оксиды титана и железа. Сульфатная технология производства двуокиси титана основана на обработке ильменита серной кислотой.
1). Ильменит измельчают, высушивают, а затем разлагают в концентрированной серной кислоте. Полученный плав титанилсульфата охлаждают и разбавляют водой до определенной концентрации. Затем восстанавливают в растворе титанилсульфата трехвалентное железо до двухвалентного. Полученный раствор отстаивают и подают на черную фильтрацию. В отфильтрованном растворе при охлаждении выкристаллизовывают железный купорос и отделяют его от маточного раствора на центрифугах. Далее раствор титанилсульфата упаривают до стандартной концентрации и отправляют его на гидролиз.
Во время следующего процесса, гидролиза, выделяются аморфные хлопья гидрата диоксида титана. Полученную пульпу гидрата диоксида титана подвергают фильтрации в две стадии, на которых осуществляется ее отмывка от хромофорных примесей и отбеливание. После добавления необходимых компонентов пасту гидрата диоксида титана прокаливают в прокалочных печах. В процессе прокаливания отщепляется гидратированная влага и полученной диоксида титана придаются пигментные свойства. Прокаленный продукт измельчается в две стадии и передается на поверхностную обработку. Поверхностную обработку ведут определенными химическими веществами для придания пигментному диоксиду титана определенных потребительских свойств. Обработанный пигментный диоксид титана сушат и передают на микроизмельчение. Измельченный готовый продукт упаковывают и передают на склад.
2). Технология производства состоит из трех этапов:
- Получение растворов сульфата титана (путем обработки ильменитовых концентратов серной кислотой). В результате получают смесь сульфата титана и сульфатов железа (II) и (III), последний восстанавливают металлическим железом до степени окисления железа +2. После восстановления на барабанных вакуум-фильтрах отделяют растворов сульфтов от шлама. Сульфат железа (II) отделяют в вакуум-кристаллизаторе.
- Гидролиз раствора сульфатных солей титана. Гидролиз проводят методом введения зародышей (их готовят осаждая Ti(OH) 4 из растворов сульфата титана гидроксидом натрия). На этапе гидролиза образующиеся частицы гидролизата (гидратов диоксида титана) обладают высокой адсорбционной способностью, особенно по отношению к солям Fe3+, именно по этой причине на предыдущей стадии трехвалентное железо восстанавливается до двухвалентного. Варьируя условия проведения гидролиза (концентрацию, длительность стадий, количество зародышей, кислотность и т. п.) можно добиться выхода частиц гидролизата с заданными свойствами, в зависимости от предполагаемого применения.
- Термообработка гидратов диоксида титана. На этом этапе, варьируя температуру сушки и используя добавки (такие, как оксид цинка, хлорид титана и используя другие методы можно провести рутилизацию (то есть перестройку оксида титана в рутильную модификацию). Для термообработки используют вращающиеся барабанные печи длиной 40-60 м. При термообработке испаряется вода (гидроксид титана и гидраты оксида титана переходят в форму диоксида титана), а также диоксид серы.