I. Introducció
Diòxid de titani (TiO₂)és un pigment blanc inorgànic el component principal del qual és el diòxid de titani. Segons la seva estructura cristal·lina, el TiO₂ es pot classificar en tipus anatasa, brookita i rutil. A causa del seu alt índex de refracció, forta tensió de color, excel·lent blancor, no-toxicitat i bona estabilitat, el diòxid de titani s'utilitza àmpliament en recobriments, plàstics, fabricació de paper i tintes, entre els quals la indústria de recobriments representa el major consum-al voltant del 60%.
Ja sigui en recobriments a base de dissolvent-o a base d'aigua-, el TiO₂ no només proporciona poder ocultant i efectes decoratius, sinó que també millora significativament les propietats físiques i químiques dels recobriments. Millora l'estabilitat química, el poder d'amagat, la força del tint, la resistència a la corrosió, la resistència a la llum i la resistència a la intempèrie; augmenta la resistència mecànica i l'adhesió de la pel·lícula; evita el trencament; i bloqueja la penetració de la radiació UV i la humitat-retardant l'envelliment i allargant la vida útil del recobriment. També pot reduir el consum de materials i donar suport a la diversificació de productes.
II. Influència de la mida de les partícules de diòxid de titani en el poder d'amagat del recobriment
Les variacions en la forma i la mida de les partícules de TiO₂ afecten molt el grau de dispersió de la llum i són factors clau que influeixen en el poder d'amagat. La investigació mostra que en condicions idèntiques, quan la mida de partícula de TiO₂ està entre160-350 nm-sobre0,4-0,5 vegades la longitud d'ona de la llum visible-la capacitat de dispersió és més forta, millorant directament el rendiment d'amagat del recobriment.
Si els materials-formadors de pel·lícula no cobreixen completament les partícules de TiO₂, es pot produir un contacte i una aglomeració de partícules, augmentant efectivament la mida de les partícules i reduint el poder d'ocultació.
III. Influència de la dispersibilitat del diòxid de titani en el poder d'amagat del recobriment
A la indústria de recobriments, el grau de dispersió de partícules en pols determina en gran mesura el rendiment del producte. Durant la producció, la dispersió de TiO₂ implica la humectació, la mòlta i la dispersió.
Una suspensió estable de TiO₂ millora el poder d'amagat, però a causa de l'activitat del TiO₂ i la sensibilitat a l'entorn de la formulació, es poden produir problemes com la floculació, la sedimentació i la inestabilitat. Per tant, la qualitat de la dispersió afecta significativament el poder d'amagat.
IV. Influència de la dosi del dispersant en el poder d'amagat del recobriment
Com que les partícules de TiO₂ són més petites que la majoria de farcits i tendeixen a agregar-se, l'elecció i la dosi dels dispersants afecten fortament la dispersió de TiO₂ i, per tant, el poder d'ocultació del recobriment. Els estudis mostren que a mesura que augmenta la dosi del dispersant, la dispersió del pigment/farciment millora, la distribució de la mida de les partícules es redueix i la mida efectiva de les partícules disminueix-la qual cosa resulta en un poder d'ocultació més gran.
V. Vies de desenvolupament sostenible per al diòxid de titani en recobriments
Com a pigment-de dispersió de la llum altament eficient, el TiO₂ ofereix una blancura i un poder ocultant excel·lents. Amb el ràpid creixement de les indústries de l'automoció, la construcció i els recobriments basats en aigua-, la demanda global continua augmentant.
Tanmateix, els reptes relacionats amb el consum de recursos, l'ús d'energia i l'impacte ambiental s'han intensificat. Millorar la sostenibilitat de la indústria del TiO₂ s'ha tornat urgent.
A més de desenvolupar noves tecnologies de producció, els fabricants de recobriments han d'explorar maneres de millorar l'eficiència d'utilització del TiO₂ o identificar substituts per reduir el consum.
1. Millora de l'eficiència d'utilització del diòxid de titani
En aplicacions pràctiques, l'aglomeració i la floculació de TiO₂ poden evitar un poder d'ocultació òptim fins i tot amb un alt contingut de pigment. Per tant, millorar l'eficiència de la dispersió de la llum s'ha convertit en un enfocament clau de la investigació.
Michael va utilitzar simulacions de Montecarlo per demostrar que substituir els farcits gruixuts per farcits fins augmenta l'espai entre les partícules de TiO₂, millorant l'amagat mitjançant unefecte "espaiat de pigments" o "dilució de pigments".. Els farcits més petits separen millor les partícules de TiO₂, millorant l'eficiència de dispersió i reduint la quantitat de TiO₂ necessària per a l'amagat equivalent.
Tanmateix, les partícules de TiO₂ espaiades encara tenen tendència a re{0}}aglomerar-se.
L'any 2013,Dow Chemicalva rebre el Premi Presidential Green Chemistry Challenge dels EUA pel seu desenvolupamentTecnologia de pre-polímer compost EVOQUE™. Aquests polímers s'uneixen a superfícies de TiO₂, proporcionant un espai que millora la distribució de partícules i l'eficiència de dispersió. Això millora el poder d'amagat i redueix el contingut de TiO₂ fins a20%, reduint el cost alhora que es manté o millora el rendiment. La tecnologia també millora la resistència a les taques, la resistència a la corrosió, redueix el consum d'energia i-segons LCA independent-redueix les emissions de carboni enmés del 22%i el consum d'aigua per30%.
L'any 1997,Virtanenva introduir la tecnologia de "pre-encapsulació" de TiO₂, creant pigments de nucli-de closca amb nuclis de TiO₂ i closques de carbonat de calci. La carcassa proporciona espai, millora la dispersió i redueix la petjada de carboni en un 70%. FP Pigments ha comercialitzat aquesta tecnologia.
De la mateixa manera, Chemours va desenvolupar un grau de TiO₂ tractat,TS-6300, que inclou un tractament superficial millorat que augmenta l'espai de partícules i redueix l'aglomeració. La seva major absorció d'oli redueix el CPVC, permetent que els buits d'aire a la pel·lícula millorin encara més la dispersió de la llum.
2. Presentació d'Aire
L'aire a la pel·lícula de recobriment redueix l'índex de refracció de la barreja de resina/aire, augmentant el contrast de l'índex de refracció amb TiO₂ i millorant la dispersió de la llum. Tres tipus de buits d'aire contribueixen a ocultar el poder:
- Aire dins de la resina
- Aire dins de les partícules de farciment
- Aire a la interfície pigment-resina
Un exemple clàssic són les microesferes de polímer buides, desenvolupades per primera vegada el 1984 per Kowalski i comercialitzades per Rohm i Haas com aROPAQUE™. Durant l'assecat, l'aigua de les microesferes s'evapora i es substitueix per aire, millorant l'amagat sec.
Quan el TiO₂ es substitueix parcialment per microesferes buides, l'amagat humit inicial pot disminuir, però l'amagat sec millora fins al nivell de recobriments de TiO₂-només. Les microesferes també milloren la resistència a les taques, la rentabilitat i la retenció del color exterior.
El caolí calcinat microporós d'Omya conté de manera similar buits d'aire tancats. Produïdes mitjançant la calcinació ràpida, les partícules s'expandeixen internament a causa de la pressió del vapor, formant porus tancats que milloren l'amagat tant humit com sec. Fins a20%La reducció de TiO₂ és possible.
Les comparacions mostren:
- El caolí microporós i les microesferes buides augmenten molt l'amagat.
- El caolí microporós tendeix a crear efectes mat.
- Les microesferes augmenten la brillantor.
Per sobre del CPVC, el caolí microporós funciona encara millor, ja que els buits tant interns com externs contribueixen a amagar-se mantenint una baixa absorció d'oli i una bona resistència al fregament.
Nguyen et al. nanoestructures "entrepà" de polímer-TiO₂ desenvolupades més, combinant TiO₂, buits d'aire i espai de polímer per proporcionar múltiples vies de dispersió.
En resum, la millora de la dispersió de TiO₂, la minimització de l'aglomeració i la introducció d'estructures basades en l'aire-poden millorar significativament el poder d'ocultació, permetre la substitució parcial del TiO₂, reduir les emissions de carboni i donar suport al desenvolupament sostenible del TiO₂.
VI. Aplicacions del diòxid de titani
El TiO₂ s'utilitza àmpliament en recobriments, plàstics, cautxú, tintes, paper, fibres químiques, ceràmica, productes químics diaris, productes farmacèutics i productes alimentaris.
Recobriments
La indústria del recobriment és l'usuari final-major, especialment per al TiO₂ rutil. Els recobriments que contenen TiO₂ ofereixen colors brillants, un gran poder d'amagat i tint, una millora de la força i l'adhesió de la pel·lícula, resistència als raigs UV i a la humitat i una vida útil allargada.
Plàstics
La indústria del plàstic és el segon-consumidor. TiO₂ millora la resistència a la calor, la resistència a la llum, la resistència a la intempèrie, la resistència mecànica i la vida útil dels productes plàstics.
Fabricació de paper
La fabricació de paper és la tercera-aplicació més gran. TiO₂ millora la blancor, la brillantor, la força, la suavitat i l'opacitat. Anatase TiO₂ s'utilitza habitualment pel seu fons blavós i efecte il·luminador. Els papers laminats requereixen Rutil TiO₂ per a una millor resistència a la calor i la llum.
Tintes
El TiO₂ és un pigment blanc essencial en tintes d'-alt grau, que ofereix una durabilitat, humectació i dispersibilitat excel·lents.
Fibres i tèxtils
El TiO₂ s'utilitza com a delustrant en fibres químiques, generalment en forma d'anatasa a causa de la seva suavitat. Alguns graus requereixen un tractament superficial per reduir la degradació fotocatalítica de les fibres.
Indústria de l'esmalt
L'esmalt d'alta puresa-TiO₂ proporciona una opacitat forta, una mida de partícula uniforme, un alt índex de refracció, una blancura excel·lent i una bona resistència als àcids-proporcionant recobriments d'esmalt suaus, prims i duradors.
Ceràmica
El TiO₂ de -ceràmica té una mida de partícula uniforme, un alt índex de refracció i una excel·lent estabilitat tèrmica (resistent a 1200 graus durant 1 hora sense envellir). S'utilitza àmpliament en ceràmica, construcció i materials decoratius.
La indústria del TiO₂ de la Xina va començar a mitjans dels anys cinquanta. Avui, la Xina és responsable30% de la capacitat global de TiO₂i és alhora el major productor i consumidor del món. Entre 1999 i 2011, el consum de TiO₂ de la Xina va créixer de 248.000 tones a 1,65 milions de tones-un CAGR del 17,11%.
Actualment, la Xina té més de 50 fabricants de TiO₂, molts a la regió oriental malgrat els recursos limitats de matèries primeres. Mentrestant, els recursos minerals de titani es troben principalment al sud-oest. La indústria continua relativament fragmentada. La producció de TiO₂ de la Xina ha passat de l'anatase de procés de sulfat-principalment a graus de rutil, que ara representen més del 70% de la producció. Tanmateix, el TiO₂-de gamma alta encara depèn en gran mesura de les importacions.
La producció domèstica de TiO₂ clorat segueix sent molt limitada a unes 30.000 tones, tot i que diverses empreses planegen ampliar la capacitat de cloració a més de 600.000 tones. Aquest període representa una etapa crítica per actualitzar l'estructura del producte, millorar la tecnologia i adoptar processos avançats.
VII. Conclusió
Amb les pressions ambientals creixents i la consciència creixent de la sostenibilitat, la indústria del TiO₂-caracteritzada per una elevada contaminació i un alt consum d'energia-s'enfronta a reptes importants. Com a pigment blanc essencial en els recobriments, millorar l'eficiència d'utilització de TiO₂, reduir el consum i desenvolupar materials alternatius són passos crucials cap al desenvolupament sostenible.