I. Introducere
Dioxid de titan (TiO₂)este un pigment alb anorganic a cărui componentă principală este dioxidul de titan. Conform structurii sale cristaline, TiO₂ poate fi clasificat în tipuri de anatază, brookit și rutil. Datorită indicelui său ridicat de refracție, rezistenței puternice de nuanță, albului excelent, ne-toxicității și stabilității bune, dioxidul de titan este utilizat pe scară largă în acoperiri, materiale plastice, fabricarea hârtiei și cerneluri, dintre care industria de acoperire reprezintă cel mai mare consum-aproximativ 60%.
Fie că este vorba de acoperiri pe bază de solvenți-sau pe bază de apă-, TiO₂ oferă nu numai putere de acoperire și efecte decorative, ci și îmbunătățește semnificativ proprietățile fizice și chimice ale acoperirilor. Îmbunătățește stabilitatea chimică, puterea de ascundere, rezistența la nuanță, rezistența la coroziune, rezistența la lumină și rezistența la intemperii; crește rezistența mecanică a filmului și aderența; previne fisurarea; și blochează pătrunderea radiațiilor UV și a umezelii-întârziind îmbătrânirea și prelungind durata de viață a stratului de acoperire. De asemenea, poate reduce consumul de materiale și poate sprijini diversificarea produselor.
II. Influența dimensiunii particulelor de dioxid de titan asupra puterii de acoperire a acoperirii
Variațiile în forma și dimensiunea particulelor de TiO₂ afectează foarte mult gradul de împrăștiere a luminii și sunt factori cheie care influențează puterea de ascundere. Cercetările arată că, în condiții identice, atunci când dimensiunea particulelor de TiO₂ este între160–350 nm-despre0,4–0,5 ori lungimea de undă a luminii vizibile-abilitatea de împrăștiere este cea mai puternică, îmbunătățind direct performanța de acoperire a acoperirii.
Dacă materialele care formează film-nu reușesc să acopere complet particulele de TiO₂, poate apărea contactul și aglomerarea particulelor, crescând efectiv dimensiunea particulelor și reducând puterea de acoperire.
III. Influența dispersabilității dioxidului de titan asupra puterii de acoperire a acoperirii
În industria acoperirilor, gradul de dispersie al particulelor de pulbere determină în mare măsură performanța produsului. În timpul producției, dispersia TiO₂ implică umezirea, măcinarea și dispersarea.
O suspensie stabilă de TiO₂ îmbunătățește puterea de acoperire, dar datorită activității și sensibilității TiO2 la mediul de formulare, pot apărea probleme precum flocularea, sedimentarea și instabilitatea. Prin urmare, calitatea dispersiei afectează în mod semnificativ puterea de ascundere.
IV. Influența dozei de dispersant asupra puterii de acoperire a acoperirii
Deoarece particulele de TiO₂ sunt mai mici decât majoritatea materialelor de umplutură și au tendința de a se agrega, alegerea și dozarea dispersanților afectează puternic dispersia TiO2 și, prin urmare, puterea de acoperire a acoperirii. Studiile arată că, pe măsură ce doza de dispersant crește, dispersia de pigment/material de umplutură se îmbunătățește, distribuția dimensiunii particulelor se îngustează și dimensiunea efectivă a particulelor scade-, rezultând o putere de acoperire mai mare.
V. Căi de dezvoltare durabilă pentru dioxidul de titan în acoperiri
Fiind un pigment-de împrăștiere a luminii foarte eficient, TiO₂ oferă alb și putere de ascundere excelente. Odată cu creșterea rapidă a industriilor de automobile, de construcții și de acoperire pe bază de apă-, cererea globală continuă să crească.
Cu toate acestea, provocările legate de consumul de resurse, utilizarea energiei și impactul asupra mediului s-au intensificat. Îmbunătățirea durabilității industriei TiO₂ a devenit urgentă.
Pe lângă dezvoltarea de noi tehnologii de producție, producătorii de acoperiri trebuie să exploreze modalități de a îmbunătăți eficiența utilizării TiO₂ sau de a identifica înlocuitori pentru a reduce consumul.
1. Îmbunătățirea eficienței utilizării dioxidului de titan
În aplicațiile practice, aglomerarea și flocularea TiO₂ pot împiedica puterea optimă de acoperire chiar și la un conținut ridicat de pigment. Prin urmare, îmbunătățirea eficienței împrăștierii luminii a devenit un obiectiv cheie al cercetării.
Michael a folosit simulări Monte Carlo pentru a demonstra că înlocuirea materialelor de umplutură grosiere cu materiale fine mărește distanța dintre particulele de TiO₂, îmbunătățind ascunderea printr-unefect de „spațiere a pigmentului” sau „diluare a pigmentului”.. Umpluturi mai mici separă mai bine particulele de TiO₂, sporind eficiența împrăștierii și reducând cantitatea de TiO₂ necesară pentru ascunderea echivalentă.
Cu toate acestea, particulele de TiO₂ distanțate au încă tendința de a se re{0}}aglomera.
În 2013,Dow Chemicala primit Premiul Presidential Green Chemistry Challenge Award pentru dezvoltareTehnologia EVOQUE™ pre-polimer compozit. Acești polimeri se leagă de suprafețele TiO₂, oferind o distanță care îmbunătățește distribuția particulelor și eficiența împrăștierii. Acest lucru îmbunătățește puterea de ascundere și scade conținutul de TiO₂ cu până la20%, reducând costurile în același timp menținând sau îmbunătățind performanța. De asemenea, tehnologia îmbunătățește rezistența la pete, rezistența la coroziune, reduce consumul de energie și-conform LCA independent-reduce emisiile de carbon cupeste 22%și utilizarea apei de către30%.
În 1997,Virtanena introdus tehnologia de „pre-încapsulare” TiO₂, creând pigmenți de miez-cochilii cu miezuri de TiO₂ și învelișuri de carbonat de calciu. Carcasa oferă spațiere, îmbunătățind împrăștierea și reducând amprenta de carbon cu aproximativ 70%. FP Pigments a comercializat această tehnologie.
În mod similar, Chemours a dezvoltat un grad TiO₂ tratat,TS-6300, care prezintă un tratament îmbunătățit de suprafață care mărește distanța dintre particule și reduce aglomerarea. Absorbția crescută a uleiului scade CPVC, permițând golurilor de aer din film să îmbunătățească și mai mult difuzia luminii.
2. Prezentarea Air
Aerul din filmul de acoperire reduce indicele de refracție al amestecului rășină/aer, crescând contrastul indicelui de refracție cu TiO₂ și îmbunătățind împrăștierea luminii. Trei tipuri de goluri de aer contribuie la puterea de ascundere:
- Aerul din rășină
- Aerul din particulele de umplutură
- Aer la interfața pigment-rășină
Un exemplu clasic sunt microsferele polimerice goale, dezvoltate pentru prima dată în 1984 de Kowalski și comercializate de Rohm și Haas caROPAQUE™. În timpul uscării, apa din interiorul microsferelor se evaporă și este înlocuită cu aer, sporind ascunderea uscată.
Când TiO₂ este înlocuit parțial cu microsfere goale, ascunderea umedă inițială poate scădea, dar ascunderea uscată se îmbunătățește la nivelul acoperirilor numai cu TiO2. Microsferele sporesc, de asemenea, rezistența la pete, capacitatea de spălare și păstrarea culorii exterioare.
Caolinul calcinat microporos de la Omya conține în mod similar goluri de aer închise. Produse prin calcinare rapidă, particulele se extind în interior datorită presiunii aburului, formând pori închiși care îmbunătățesc ascunderea atât umedă, cât și uscată. Până la20%Reducerea TiO₂ este realizabilă.
Comparațiile arată:
- Caolinul microporos și microsferele goale măresc foarte mult ascunderea.
- Caolinul microporos tinde să creeze efecte mat.
- Microsferele măresc luciul.
Deasupra CPVC, caolinul microporos funcționează și mai bine, deoarece atât golurile interne, cât și cele externe contribuie la ascunderea, menținând în același timp o absorbție scăzută a uleiului și o bună rezistență la frecare.
Nguyen și colab. Nanostructuri „sandwich” polimer-TiO₂ dezvoltate în continuare, combinând TiO₂, goluri de aer și distanța dintre polimeri pentru a oferi căi multiple de împrăștiere.
În concluzie, îmbunătățirea dispersiei TiO₂, reducerea la minimum a aglomerării și introducerea de structuri bazate pe aer-poate spori semnificativ puterea de acoperire, permite înlocuirea parțială a TiO₂, reduce emisiile de carbon și sprijină dezvoltarea durabilă a TiO₂.
VI. Aplicații ale dioxidului de titan
TiO₂ este utilizat pe scară largă în acoperiri, materiale plastice, cauciuc, cerneluri, hârtie, fibre chimice, ceramică, produse chimice de zi cu zi, produse farmaceutice și produse alimentare.
Acoperiri
Industria de acoperiri este cel mai mare utilizator final-, în special pentru TiO₂ rutil. Acoperirile care conțin TiO₂ oferă culori strălucitoare, putere puternică de acoperire și nuanță, rezistență și aderență îmbunătățite a filmului, rezistență la UV și umiditate și durată de viață extinsă.
Materiale plastice
Industria plasticului este al doilea-cel mai mare consumator. TiO₂ îmbunătățește rezistența la căldură, rezistența la lumină, rezistența la intemperii, rezistența mecanică și durata de viață a produselor din plastic.
Fabricarea hârtiei
Fabricarea hârtiei este a treia-aplicație ca mărime. TiO₂ îmbunătățește albul, luciul, rezistența, netezimea și opacitatea. Anatase TiO₂ este utilizat în mod obișnuit pentru subtonul albăstrui și efectul de strălucire. Hârtiile laminate necesită TiO₂ rutil pentru o rezistență mai bună la căldură și lumină.
Cerneluri
TiO₂ este un pigment alb esențial în cernelurile de -grad înalt, oferind durabilitate, umezire și dispersibilitate excelente.
Fibre și textile
TiO₂ este folosit ca delustrant în fibrele chimice, de obicei sub formă de anatază datorită moliciunii sale. Unele clase necesită tratament de suprafață pentru a reduce degradarea fotocatalitică a fibrelor.
Industria emailului
Smalțul de înaltă -puritate-TiO₂ oferă opacitate puternică, dimensiune uniformă a particulei, indice de refracție ridicat, alb excelent și rezistență bună la acizi-producând acoperiri de email netede, subțiri și durabile.
Ceramică
TiO₂ de calitate -ceramică prezintă o dimensiune uniformă a particulei, un indice de refracție ridicat și o stabilitate termică excelentă (rezistând la 1200 de grade timp de 1 oră fără gri). Este utilizat pe scară largă în ceramică, construcții și materiale decorative.
Industria TiO₂ din China a început la mijlocul anilor 1950. Astăzi, China răspunde30% din capacitatea globală de TiO₂și este atât cel mai mare producător, cât și cel mai mare consumator din lume. Din 1999 până în 2011, consumul de TiO₂ al Chinei a crescut de la 248.000 de tone la 1,65 milioane de tone-o CAGR de 17,11%.
China are în prezent peste 50 de producători de TiO₂, mulți în regiunea de est, în ciuda resurselor limitate de materii prime. Între timp, resursele de minereu de titan sunt situate în principal în sud-vest. Industria rămâne relativ fragmentată. Producția de TiO₂ din China s-a mutat de la anataza procesului de sulfat-preponderent la grade de rutil, reprezentând acum peste 70% din producție. Cu toate acestea, TiO₂ de înaltă-gamă se bazează încă în mare măsură pe importuri.
Producția internă de TiO₂ clorurat rămâne foarte limitată, la aproximativ 30.000 de tone, deși mai multe companii intenționează să extindă capacitatea de clorinare la peste 600.000 de tone. Această perioadă reprezintă o etapă critică pentru modernizarea structurii produsului, îmbunătățirea tehnologiei și adoptarea proceselor avansate.
VII. Concluzie
Odată cu presiunile din ce în ce mai mari asupra mediului și creșterea gradului de conștientizare a durabilității, industria TiO₂-caracterizată printr-o poluare ridicată și un consum ridicat de energie-se confruntă cu provocări semnificative. Ca pigment alb esențial în acoperiri, creșterea eficienței utilizării TiO₂, reducerea consumului și dezvoltarea de materiale alternative sunt pași cruciali către dezvoltarea durabilă.