تیتانیوم دی اکسید چیست؟ [خواص، کاربرد و عوارض]

تیتانیوم دی اکسید چیست؟

تیتانیوم دی‌اکسید (TiO₂) یک ترکیب شیمیایی از تیتانیوم و اکسیژن است. این ماده به صورت طبیعی در سه ساختار کریستالی مختلف یافت می‌شود: آناتاز، روتیل و بروکیت. تیتانیوم دی‌اکسید به دلیل ویژگی‌های خاص خود در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بسیاری از افراد با تیتانیوم دی‌ اکسید به عنوان یک ماده فعال ضد آفتاب آشنا هستند. دی‌اکسید تیتانیوم به عنوان ماده فیلتر UV در ضد آفتاب عمل می‌کند. با جلوگیری از جذب اشعه ماوراء بنفش خورشید که می‌تواند باعث آفتاب‌سوختگی شود و همچنین با سرطان پوست ارتباط دارد از پوست فرد محافظت می‌کند. دی‌اکسید تیتانیوم، که به عنوان اکسید تیتانیوم (IV) یا تیتانیا معروف است دی اکسید تیتانیوم طبیعی است و دارای فرمول شیمیایی TiO2 می‌باشد.

تیتانیوم، نهمین عنصر رایج پوسته زمین، فلزی است که معمولاً در گیاهان و حیوانات یافت می‌شود. تیتانیوم به طور طبیعی با اکسیژن ارتباط برقرار می‌کند تا اکسیدهای تیتانیوم تشکیل شود. اکسید تیتانیوم معمولاً در سنگ معدن، گرد و غبار، ماسه و خاک یافت می‌شود. TiO₂ در مواد غذایی، با عنوان E171 استفاده می‌شود. در بسیاری از محصولات غذایی کاربرد دارد. همچنین به عنوان سفید کننده، رنگ و بافت تقویت‌کننده عمل می‌کند. پودر تیتانیوم دی اکسید می‌تواند به علت اثر ساینده‌ای در بعضی از شیرینی‌ها عمل کند. در ادامه به معرفی خواص تیتانیوم دی اکسید و کاربردهای آن در صنایع مختلف می‌پردازیم.

ویژگی‌ها و خواص فیزیکی و شیمیایی تیتانیوم دی اکسید

 در اینجا به صورت مختصر به خواص فیزیکی و شیمیایی تیتانیوم دی‌اکسید (TiO₂) اشاره می‌کنیم:

 خواص فیزیکی

• حالت فیزیکی: پودر سفید رنگ
• روتیل: 4.23 گرم بر سانتی‌متر مکعب
• آناتاز: 3.78 گرم بر سانتی‌متر مکعب
• نقطه ذوب: 1843 درجه سانتی‌گراد
• نقطه جوش: 2972 درجه سانتی‌گراد
• روتیل: 2.609 تا 2.903
• آناتاز: 2.488 تا 2.541
• سختی: 5.5 تا 6 در مقیاس موس
• ساختار کریستالی: آناتاز، روتیل و بروکیت
• مقاومت شیمیایی بالا: تیتانیوم دی‌اکسید در برابر مواد شیمیایی مختلف مقاومت بالایی دارد.
• پایداری حرارتی: این ماده در دماهای بالا پایدار است و در برابر تغییرات حرارتی مقاومت می‌کند.
• فوتوکاتالیستی: تیتانیوم دی‌اکسید خاصیت فوتوکاتالیستی دارد، به این معنا که تحت تابش نور می‌تواند واکنش‌های شیمیایی را تسریع کند، به ویژه در تصفیه هوا و آب و تولید مواد ضدباکتریال.

خواص شیمیایی

• ترکیب شیمیایی: TiO₂
• پایداری شیمیایی: مقاوم در برابر اکثر اسیدها و بازها
• فعالیت فوتوکاتالیستی: قوی به ویژه در فاز آناتاز
• خاصیت نیمه‌رسانایی: نیمه‌رسانای نوع n
• پایداری حرارتی: پایدار در دماهای بالا
• بی‌اثر بودن بیولوژیکی: غیرسمی، اما استنشاق طولانی مدت ممکن است مشکلات ریوی ایجاد کند.

ویژگی های تیتانیوم دی اکسید در یک نگاه

معادل انگلیسی	Titanium dioxide
فرمول شیمیایی	TiO2
جرم مولی	79.866 g/mol
چگالی	4.23 g/cm3 (روتیل) 3.78 g/cm3 (آناتار)
دمای ذوب	1,843 °C (3,349 °F; 2,116 K)
دمای جوش	2,972 °C (5,382 °F; 3,245 K)

تاریخچه تیتانیوم دی اکسید

تیتانیوم سفید در قرن بیستم کشف شده است. اگرچه رنگدانه دی اکسید تیتانیوم در سال 1821 کشف شد اما در سال 1916 به تولید انبوه رسید. رنگ‌های سفید بسیاری از رنگ‌های تیتانیومی وجود دارد که هیچکدام از آن‌ها به شکل خالص برای رنگ روغن هنرمندان استفاده نمی‌شود. رنگ تیتانیوم مایع نه گرم است و نه سرد و از این نظر در جایی بین سرب سفید و روی قرار دارد.

رنگ تیتانیوم استحکام رنگ‌آمیزی برتری نسبت به هر یک از رنگ‌های سفید دیگر دارد. این یک رنگ روغنی تمام عیار سفید است. دی اکسید تیتانیوم همیشه با یک یا چند رنگ‌دانه سفید دیگر یا یک پیگمنت بی اثر ترکیب می‌شود تا رنگ روغن مناسبی برای هنرمندان ایجاد کند.

کاربردهای تیتانیوم دی اکسید

تیتانیوم دی‌اکسید (TiO₂) به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردش، در بسیاری از صنایع کاربرد دارد. در زیر به برخی از مهم‌ترین کاربردهای آن اشاره شده است:

1. رنگ‌ها و پوشش‌ها:

•    رنگدانه (پیگمنت): به دلیل رنگ سفید و قدرت پوشش‌دهی بالا، در تولید رنگ‌های نقاشی، پوشش‌های صنعتی و پوشش‌های خودرویی به عنوان رنگدانه استفاده می‌شود.
•    ضدخوردگی: در پوشش‌های محافظتی برای جلوگیری از زنگ‌زدگی و خوردگی فلزات کاربرد دارد.

2. مواد آرایشی و بهداشتی:

• کرم‌های ضد آفتاب: به عنوان فیلتر ضد UV در کرم‌های ضد آفتاب استفاده می‌شود.
• محصولات آرایشی: در تولید پودرها، کرم‌ها و لوازم آرایشی به دلیل رنگ سفید و قدرت پوشش‌دهی بالا به کار می‌رود.

این محصول در انواع مختلف محصولات مراقبت شخصی، از جمله لوازم آرایشی رنگی مانند سایه چشم، پودرهای فشرده و در کرم‌های ضد آفتاب استفاده می‌شود. TiO₂ می‌تواند اشکال مختلفی ایجاد کند که ویژگی‌های متفاوت دارند. برخی از اشکال را می‌توان به نانو مواد تبدیل کرد. TiO₂ میکرونیزه (همچنین به نام نانو دی اکسید تیتانیوم) در اوایل دهه 1990 معرفی شد. فناوری نانو و میکرونیزاسیون هر دو به تمرکز در ایجاد اندازه ذرات بسیار کوچک از یک ماده اشاره می‌کنند.

برای مدت زمان طولانی، کرم‌های ضد آفتاب با استفاده از میکروپارسیت‌های اکسید تیتانیوم ساخته شده‌اند که محصولات را به صورت قهوه‌ای، چسبنده می‌سازند. کرم‌های ضد آفتاب حاوی دی اکسید تیتانیم نانومتری شفاف می‌تواند بسیار راحت‌تر استفاده شود. علاوه بر این، اثر محافظتی آن‌ها نسبت به اشعه مضر UV بسیار بهتر است.

نانو معمولاً به ذرات کوچک‌تر از 100 نانومتر اشاره دارد؛ یک میلیارد نانومتر برابر با یک متر است. در این اندازه‌های کوچک و در غلظت‌های پایین، TiO₂ شفاف به نظر می‌رسد و اجازه می‌دهد تا کرم‌های ضد آفتاب مؤثر باشند. 4.68 میلیون تن دی اکسید تیتانیوم در سال 2009 در سراسر جهان تولید شد. تسهیلات عالی دی اکسید تیتانیوم به دلیل شکل و اندازه‌های مختلف آن است. ساختارهای کریستال آن‌ها ممکن است متفاوت باشد:

• بسته به ترتیب اتم‌های TiO₂
• تغییرات روتیل و آناتاز بین آن‌ها

تیتانیوم دی اکسید در ضدآفتاب

نانولوله دی اکسید تیتانیوم در حالی که به عنوان یک جاذب کارآمد نور UV کار می‌کند در برابر نور مرئی شفاف می‌باشد. از آنجا که اندازه ذرات آن بسیار کوچک است، نانو دی اکسید تیتانیوم نور قابل رویت را منعکس نمی‌کند، اما نور UV را جذب می‌کند و یک سد شفاف را ایجاد می‌کند که پوست را از اشعه‌های مضر خورشید محافظت می‌کند. طبق گفته بنیاد سرطان پوست، استفاده از کرم‌های ضد آفتاب حاوی دی اکسید تیتانیوم می‌تواند به جلوگیری از بروز سرطان پوست کمک کند.

3. پلاستیک‌ها و کاغذ:

• پلاستیک‌ها: برای بهبود سفیدپذیری و خواص نوری پلاستیک‌ها استفاده می‌شود.
• کاغذ: در تولید کاغذهای با کیفیت بالا و براق به عنوان ماده پرکننده و پوششی استفاده می‌شود.

4. صنایع غذایی:

• افزودنی غذایی: به عنوان رنگدانه غذایی با کد E171 در برخی از محصولات غذایی استفاده می‌شود.

5. فوتوکاتالیست‌ها:

• تصفیه آب و هوا: به عنوان فوتوکاتالیست در سیستم‌های تصفیه آب و هوا برای حذف آلاینده‌ها و باکتری‌ها به کار می‌رود.
• شیشه‌های خود تمیز شونده: در شیشه‌های خود تمیز شونده که با نور خورشید آلودگی‌ها را تجزیه می‌کنند، کاربرد دارد.

6. صنایع دارویی:

• فرمولاسیون داروها: به عنوان ماده افزودنی در برخی از قرص‌ها و کپسول‌ها استفاده می‌شود.

7. صنایع نساجی:

• رنگرزی و چاپ: به عنوان عامل مات‌کننده در رنگرزی و چاپ پارچه‌ها کاربرد دارد.
• این ماده در فیبر نساجی و یا مواد نگه‌دارنده چوب نیز یافت می‌شوند.

8. صنایع سرامیک:

• لعاب و سرامیک: در تولید لعاب‌ها و سرامیک‌ها برای ایجاد رنگ سفید و براقیت استفاده می‌شود.

تیتانیوم دی‌اکسید به دلیل خواص متنوع و کاربردهای گسترده‌اش، یک ماده حیاتی در بسیاری از صنایع مختلف است.

تیتانیوم دی اکسید آناتاز که در طیف وسیعی از محصولات صنعتی و مصرفی از جمله:

• رنگ
• پوشش
• چسب
• کاغذ
• پلاستیک و لاستیک
• جوهر چاپ
• پارچه پوشش داده شده و منسوجات
• سرامیک
• پوشش کف
• مواد سقف
• لوازم آرایشی و بهداشتی
• خمیر دندان
• صابون
• عوامل تصفیه آب
• داروها
• رنگ‌های غذایی
• محصولات خودرو
• کرم‌های ضد آفتاب

• کاتالیزورها و… مورد استفاده قرار می‌گیرد.

دی اکسید تیتانیوم، باعث جلوگیری از کدر شدن رنگ می‌شود. در عین حال طول عمر رنگ و حفاظت از سطح رنگ را تضمین کند. دی اکسید تیتانیوم می‌تواند به کاهش تدریجی، محو شدن و ترک‌خوردگی کمک کند که می‌تواند در پلاستیک و مواد دیگر در اثر نوردهی رخ دهد. این ماده رنگ‌دانه در برخی از لوازم آرایشی استفاده می‌شود تا به پنهان‌کردن لکه‌ها و روشن‌شدن پوست کمک کند. دی اکسید تیتانیوم برای پوشاندن کاغذ استفاده می‌شود و آن را سفیدتر، روشن‌تر و مات‌تر می‌کند.

تیتانیوم دی اکسید در صابون

تیتانیوم دی‌اکسید (TiO₂) در تولید صابون‌های آرایشی و بهداشتی نیز کاربرد دارد. استفاده از این ماده در صابون‌ها به دلایل مختلفی صورت می‌گیرد که در زیر به برخی از آنها اشاره شده است:

1. افزایش سفیدی و درخشندگی:

• رنگ سفید: تیتانیوم دی‌اکسید به عنوان یک رنگدانه سفید به صابون اضافه می‌شود تا به آن رنگ سفید خالص و درخشندگی بیشتری بدهد. این خصوصیت به ویژه در صابون‌های شفاف و نیمه‌شفاف مورد توجه است.
• زیبایی ظاهری: این ماده باعث می‌شود که صابون ظاهری جذاب‌تر و تمیزتر داشته باشد.

2. پوشش‌دهی و مات‌کنندگی:

• پوشش‌دهی: تیتانیوم دی‌اکسید به عنوان یک ماده پوشش‌دهنده در صابون عمل می‌کند و به آن کمک می‌کند تا پوشش یکنواخت‌تری داشته باشد.
• مات‌کنندگی: در صابون‌های مات، این ماده باعث کاهش شفافیت و ایجاد ظاهری مات و یکنواخت می‌شود.

3. خواص ضدآفتاب:

• حفاظت UV: هرچند در صابون‌ها این کاربرد کمتر رایج است، ولی در برخی موارد، تیتانیوم دی اکساید و زینک اکساید به دلیل خواص ضد UV خود به صابون‌ها اضافه می‌شود تا به عنوان یک فیلتر UV عمل کند و از پوست در برابر اشعه‌های مضر خورشید محافظت نماید.

4. ایمنی و غیرسمی بودن:

• غیرسمی: تیتانیوم دی‌اکسید به طور کلی به عنوان یک ماده غیرسمی و بی‌ضرر شناخته می‌شود و برای استفاده در محصولات آرایشی و بهداشتی از جمله صابون‌ها مناسب است.

نانو دی اکسید تیتانیوم

نانودی اکسید تیتانیوم کامپوزیتی که برای کاربردهای خاص تولید می‌شود تقریباً 100 برابر ضخیم‌تر از رنگ‌دانه‌های TiO₂ است و دارای خواص فیزیکی دیگر است. حجم تولید نانو مواد TiO₂ کمتر از 1 درصد از رنگ‌دانه‌های TiO2 را تشکیل می‌دهد.

بر خلاف رنگ‌دانه‌های TiO₂، دی‌اکسیدهای تیتانیوم در مقیاس نانو به عنوان مکمل‌های غذایی استفاده نمی‌شوند.

تهیه و تولید تیتانیوم دی اکسید

دی اکسید تیتانیوم اغلب همراه با انواع دیگر سنگ وجود دارد. بنابراین باید از آن‌ها جدا شود. الیمینیت (FeTiO₃) یکی از معروف‌ترین مواد معدنی است. روش‌های مختلف برای پالایش استفاده می‌شود. در اتحادیه اروپا 70 درصد از کل دی اکسید تیتانیوم از مواد معدنی طبیعی با استفاده از روش سولفات استخراج می‌شود، در حالی که 30 درصد باقی‌مانده با استفاده از روش کلرید به دست می‌آید.

در آلمان، هر دو روش به طور مساوی استفاده می‌شود. روش سولفات چندین دهه پیش به دلیل تولید اسید سولفوریک رقیق (که به عنوان اسید رقیق شناخته می‌شود) مورد انتقاد قرار گرفت و از دهه هشتاد در دریای شمال تخلیه شد. از سال 1990، این روش در آلمان از بین رفته است. در طول روش کلرید، سنگ‌های TiO₂ در حین تشکیل اسید هیدروکلریک با گاز کلراید واکنش نشان می‌دهند. برای صنایع بسیار مهم‌تر از اسید رقیق، اسید هیدروکلریک می‌تواند به تولید باز گردد یا فروخته شود.

دی اکسید تیتانیوم در دو فرم اصلی تولید می‌شود. شکل اولیه، شامل بیش از 98 درصد کل تولید، رنگ‌دانه دی اکسید تیتانیوم است. شکل رنگی باعث می‌شود خواص عالی پراکندگی دی اکسید تیتانیوم در برنامه‌هایی که نیاز به کدر بودن و روشنایی سفیدی دارند استفاده شود. شکل دیگری که دی اکسید تیتانیوم تولید می‌شود، به عنوان یک محصول فوق‌العاده (نانو مواد) است. این فرم زمانی انتخاب می‌شود که خواص مختلف مانند شفافیت و جذب نور حداکثر نور ماورای بنفش مانند کرم‌های ضد آفتابی لوازم آرایشی مورد نیاز باشد.

تولید تیتانیوم دی‌اکسید (TiO₂) به دو روش اصلی انجام می‌شود: فرآیند سولفات و فرآیند کلرید. در زیر به طور مختصر هر یک از این فرآیندها توضیح داده شده‌اند:

1. فرآیند سولفات

• اسیدشویی: ایلمنیت (FeTiO₃) با اسید سولفوریک (H₂SO₄) واکنش می‌دهد و تیتانیوم سولفات (Ti(SO₄)₂) و آهن سولفات (FeSO₄) تولید می‌شود.
• هیدرولیز: تیتانیوم سولفات در آب حل شده و با حرارت دادن هیدرولیز می‌شود تا تیتانیوم دی‌اکسید هیدراته (TiO(OH)₂) رسوب کند.
• کلسیناسیون: رسوب تیتانیوم دی‌اکسید هیدراته خشک و در دماهای بالا کلسینه می‌شود تا تیتانیوم دی‌اکسید خالص تولید شود.

2. فرآیند کلرید

• کلریداسیون: ماده معدنی حاوی تیتانیوم با کلر (Cl₂) و کربن واکنش می‌دهد تا تیتانیوم تتراکلرید (TiCl₄) تشکیل شود.
• تصفیه: TiCl₄ تصفیه می‌شود تا ناخالصی‌ها حذف شوند.
• اکسیداسیون: TiCl₄ تصفیه‌شده با اکسیژن (O₂) واکنش می‌دهد تا تیتانیوم دی‌اکسید و کلر آزاد شود.
• بازیابی کلر: کلر آزاد شده بازیابی و دوباره استفاده می‌شود.

حلال تیتانیوم دی اکسید

تیتانیوم دی‌اکسید (TiO₂) به دلیل ساختار پایدار و نامحلول بودن در اکثر حلال‌ها، در آب و بسیاری از حلال‌های آلی نامحلول است. با این حال، چند حلال خاص وجود دارند که می‌توانند تیتانیوم دی‌اکسید را حل کنند. در زیر به این حلال‌ها و شرایط حل شدن تیتانیوم دی‌اکسید اشاره شده است:

 حلال‌های تیتانیوم دی‌اکسید

1. اسید سولفوریک غلیظ (H₂SO₄):

• شرایط حل شدن: تیتانیوم دی‌اکسید در اسید سولفوریک غلیظ و دمای بالا (بیش از 150 درجه سانتی‌گراد) می‌تواند حل شود. این فرآیند در تولید TiO₂ به روش سولفات استفاده می‌شود.
• واکنش: TiO₂ + 2 H₂SO₄ → Ti(SO₄)₂ + 2 H₂O

2. اسید فلوریدریک (HF):

• شرایط حل شدن: تیتانیوم دی‌اکسید به راحتی در اسید فلوریدریک حل می‌شود و تیتانیوم تترافلورید (TiF₄) و آب تولید می‌کند.
• واکنش: TiO₂ + 4 HF → TiF₄ + 2 H₂O

3. مخلوط اسیدها:

• اسید نیتریک و اسید هیدروفلوئوریک: تیتانیوم دی‌اکسید در مخلوطی از اسید نیتریک (HNO₃) و اسید هیدروفلوئوریک حل می‌شود.
• واکنش: ترکیب اسیدها به ویژه در شیمی تحلیلی برای تجزیه نمونه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تیتانیوم دی اکسید خوراکی

دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) در صنایع غذایی به عنوان یک ماده رنگزای مصنوعی استفاده می‌شود. استفاده از این ماده در مواد غذایی به منظور بهبود رنگ، ظاهر و جلوگیری از تغییر رنگ محصولات غذایی است.

اداره غذا و داروی ایالات متحده (FDA) ایمنی دی اکسید تیتانیوم را به عنوان یک افزودنی رنگ ارزیابی کرده است و مقرراتی را جهت تصویب ماده برای این اهداف صادر کرده است. کدر بودن در برابر نور مرئی و ماوراء بنفش که توسط دی اکسید تیتانیوم ارائه می‌شود، مواد غذایی، نوشیدنی‌ها، مکمل‌ها و داروها را از تخریب زودرس محافظت می‌کند و باعث افزایش ماندگاری محصول می‌شود.

در زیر به برخی کاربردهای دی‌اکسید تیتانیوم در صنایع غذایی اشاره شده است:

1. رنگزای سفید کننده: دی‌اکسید تیتانیوم به عنوان یک رنگزای سفید استفاده می‌شود تا به محصولات غذایی رنگ سفیدی بدهد، مانند پنیر، خامه، ایس‌کریم، آجیل و بعضی از محصولات نانوایی.
2. پوشش و جلوگیری از تغییر رنگ: این ماده به عنوان یک پوشش حفاظتی در برخی از مواد غذایی استفاده می‌شود تا از تغییر رنگ و بی‌رنگ شدن محصولات غذایی به علت تماس با نور UV و اکسیژن جلوگیری کند.
3. رنگزای جایگزین در محصولات کم کالری: در برخی از محصولات غذایی کم کالری، که به دلیل حجم زیاد و اندازه کم نیاز به رنگ‌گذاری دارند، دی‌اکسید تیتانیوم به عنوان یک رنگزای جایگزین استفاده می‌شود.
4. رنگزای غذایی برای بسته‌بندی: در بسته‌بندی محصولات غذایی، دی‌اکسید تیتانیوم ممکن است به عنوان یک رنگزای غذایی برای ایجاد ظاهر جذاب در بسته‌بندی‌ها و برچسب‌ها استفاده شود.

عوارض جانبی دی اکسید تیتانیوم

استفاده از دی‌اکسید تیتانیوم در مواد غذایی و محصولات آرایشی در شرایط معمولاً ایمن است و عوارض جانبی گزارش شده ندارد. اما در برخی موارد نادر، مصرف بیش از حد یا حساسیت به این ماده ممکن است باعث بروز عوارض زیر شود:

1. تحریک پوستی: برخی افراد ممکن است حساسیت پوستی نسبت به دی‌اکسید تیتانیوم داشته باشند که می‌تواند به تحریک، قرمزی، خارش یا ترشحات پوستی منجر شود.
2. آلرژی: در موارد نادر، افرادی که حساسیت به دیگر مواد رنگزا دارند، ممکن است نسبت به دی‌اکسید تیتانیوم نیز حساسیت داشته باشند و علائم آلرژیک مانند سرفه، عطسه، تنگی نفس یا طپش قلب را تجربه کنند.
3. تنفس مشکل‌بخش: در صنایعی که استفاده از دی‌اکسید تیتانیوم به صورت پودر در محیط هوایی انجام می‌شود، ممکن است تنفس آن برای افرادی که دارای مشکلات تنفسی هستند، مشکل‌بخش باشد.

به طور کلی، عوارض جانبی ناشی از مصرف دی‌اکسید تیتانیوم در مواد غذایی و محصولات آرایشی بسیار نادر هستند و اغلب به دلیل حساسیت‌های فردی و مصرف بیش از حد این ماده رخ می‌دهند. در صورت تجربه هرگونه علامت ناشی از حساسیت یا عوارض جانبی پس از استفاده از محصولات حاوی دی‌اکسید تیتانیوم، توصیه می‌شود تا به پزشک یا متخصص پوست مراجعه کنید.

فروش دی اکسید تیتانیوم خوراکی  با تضمین اصالت کالا و آنالیز و همچنین بهترین قیمت در پیشگامان شیمی صورت می گیرد. جهت دریافت اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید.