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二氧化钛

摘要

化钛,化学式为TiO2,俗称钛白粉,多用于光触媒、化妆品,能靠紫外线消毒及杀菌,现正广泛开发,将来有机会成为新工业。二氧化钛可由金红石用酸分解提取,或由四氯化钛分解得到。二氧化钛性质稳定,大量用作油漆中的白色颜料,它具有良好的遮盖能力,和铅白相似,但不像铅白会变黑;它又具有锌白一样的持久性。二氧化钛还用作搪瓷的消光剂,可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。

简介

二氧化钛二氧化钛

titanium dioxide

白色固体或粉末状的两性氧化物。又称钛白。化学式TiO2,分子量79.9,熔点1830~1850℃ ,沸点2500~3000℃。自然界存在的二氧化钛有三种变体:金红石为四方晶体;锐钛矿为四方晶体;板钛矿为正交晶体。二氧化钛在水中的溶解度很小,但可溶于酸,也可溶于碱,反应的化学方程式如下:

二氧化钛和酸的反应:TiO2+H2SO4=TiOSO4+H2O

二氧化钛和碱的反应:TiO2+2NaOH=Na2TiO3+H2O

二氧化钛可由金红石用酸分解提取,或由四氯化钛分解得到。二氧化钛性质稳定,大量用作油漆中的白色颜料,它具有良好的遮盖能力,和铅白相似,但不像铅白会变黑;它又具有锌白一样的持久性。二氧化钛还用作搪瓷的消光剂,可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。

钛的氧化物——二氧化钛,是雪白的粉末,是最好的白色颜料,俗称钛白。以前,人们开采钛矿,主要目的便是为了获得二氧化钛。钛白的粘附力强,不易起化学变化,永远是雪白的。特别可贵的是钛白无毒。它的熔点很高,被用来制造耐火玻璃,釉料,珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。

二氧化钛是世界上最白的东西, l克二氧化钛可以把 450多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料一—锌钡白还要白5倍,因此是调制白油漆的最好颜料。世界上用作颜料的二氧化钛,一年多到几十万吨。二氧化钛可以加在纸里,使纸变白并且不透明,效果比其他物质大10倍,因此,钞票纸和美术品用纸就要加二氧化钛。此外,为了使塑料的颜色变浅,使人造丝光泽柔和,有时也要添加二氧化钛。在橡胶工业上,二氧化钛还被用作为白色橡胶的填料。

结晶特征及物理常数

物性 金红石型 锐钛型

结晶系 四方晶系 四方晶系

相对密度 3.9~4.2 3.8~4.1

折射率 2.76 2.55

莫氏硬度 6-7 5.5-6

电容率 114 31

熔点 1858 高温时转变为金红石型

晶格常数 A轴0.458,c轴0.795 A轴0.378,c轴0.949

线膨胀系数25℃/℃

a轴 7.19X10-6 2.88?10-6

c轴 9.94X10-6 6.44?10-6

热导率 1.809?10-3

吸油度 16~48 18~30

着色强度 1650~1900 1200~1300

颗粒大小 0.2~0.3 0.3

物理性质

一、 物理性质

1)相对密度

在常用的白色颜料中,二氧化钛的相对密度最小,同等质量的白色颜料中,二氧化钛的表面积最大,颜料体积最高。

2)熔点和沸点

由于锐钛型在高温下会转变成金红石型,因此锐钛型二氧化钛的熔点和沸点实际上是不存在的。只有金红石型二氧化钛有熔点和沸点,金红石型二氧化钛的熔点为1850℃、空气中的熔点为(1830±15)℃、富氧中的熔点为1879℃,熔点与二氧化钛的纯度有关。金红石型二氧化钛的沸点为为(3200±300)℃,在此高温下二氧化钛稍有挥发性。

3)介电常数

由于二氧化钛的介电常数较高,因此具有优良的电学性能。在测定二氧化钛的某些物理性质时,要考虑二氧化钛晶体的结晶方向。锐钛型二氧化钛的介电常数比较低,只有48。

4)电导率

二氧化钛具有半导体的性能,它的电导率随温度的上升而迅速增加,而且对缺氧也非常敏感。金红石型二氧化钛的介电常数和半导体性质对电子工业非常重要,可利用该性质生产陶瓷电容器等电子元器件

5)硬度

按莫氏硬度十分制标度,金红石型二氧化钛为6~6.5,锐钛型二氧化钛为5.5~6.0,因此在化纤消光中为避免磨损喷丝孔而采用锐钛型。

6)吸湿性

二氧化钛虽有亲水性,但其吸湿性不太强,金红石型较锐钛型为小。二氧化钛的吸湿性与其表面积的大小有一定关系,表面积大,吸湿性高,还与表面处理与性质有关。

7)热稳定性

二氧化钛属于热稳定性好的物质

用途

二氧化钛是广泛被应用的白色颜料由于其亮光和非常高折射率(n= 2.4), 它只由金刚石超过。当存款作为薄膜, 其折射率和颜色做它优秀反射性光学涂层为电介质镜子。TiO2 并且是有效的不透光剂以粉末形式, 它被使用因为颜料提供苍白和不透明对产品譬如油漆、涂层、塑料、论文、墨水、食物, 和多数牙膏。在化妆用品和护肤品, 二氧化钛被使用作为颜料和浓化剂, 并且在几乎每sunblock 与一个物理预锻模, 二氧化钛被发现由于其折射率和其对色变的抵抗在紫外光之下。这好处提高其稳定和能力保护皮肤免受紫外光。

二氧化钛-防晒

2纳米二氧化钛的防晒性能及应用前景

由于紫外线对人体有很大的危害性,发达国家近些年来比较重视防晒产品的研究、开发,相继推出了多种多样的抗紫外纤维、塑料、薄膜、涂料,以及防晒膏霜、粉底口红、摩丝、火局油膏等防晒化妆品。我国近年来也加大了防晒化装品的研究和生产。

但以往防晒剂多为二苯甲酮类、邻氨基苯甲酮类、水杨酸酯类、对氨基苯甲酸类、肉桂酸酯类等有机化合物,因而不稳定、寿命短,并且副作用较大,具有一定的毒性和刺激性,如果添加过量,会产生化学性过敏,甚至可能导致皮肤癌[5]。

而纳米二氧化钛为无机成分,具有优异的化学稳定性、热稳定性及非迁移性和较强的消色力、遮盖力,较低的腐蚀性,良好的易分散性,并且无毒、无味、无刺激性,使用安全,还兼有杀菌除臭的作用。更为重要的是,如前所述,纳米二氧化钛既能吸收紫外线,又能发射、散射紫外线,因此抗紫外线的能力强,与同样剂量的有机抗紫外剂相比,它在紫外区的吸收峰更高;而且纳米二氧化钛对中波区和长波区紫外线均有阻隔作用,不象有机抗紫外剂只是单一对中波区或长波区紫外线有屏蔽作用。特别是由于其颗粒较细,制成品透明度高,能透过可见光,加入化妆品使用时皮肤白度自然,克服了有的有机物或颜料级二氧化钛不透明,使皮肤呈现不自然的苍白色的缺点[2]。

正因为如此,纳米二氧化钛很快被广泛重视并逐步取代一些有机抗紫外剂,成为当今防晒化妆品中性能优越一种物理屏蔽型抗紫外剂。

随着人们生活水平的提高和国际竞争的加剧,安全、高效防晒型化妆品的研究、开发力度将逐步加大。目前,发达国家的防晒型化妆品市场已显现出强大的生命力。1999、2000年,美国的年销售额已分别达7.37、7.65亿美元,英国达2.45、2.70亿美元,而且近年来分别以20%、10%以上的速度增长,其中纳米二氧化钛的用量也逐年大幅度增长。日本抗紫外化妆品中纳米二氧化钛的年需求量在1000t以上,纺织、塑料、橡胶制品中的用量更大[2]。

从防晒化妆品的发展趋势来看,一是无机防晒剂代替有机防晒剂,二是仿生防晒。后者成本较大,目前难以推广,前者价格适中,且防晒性能优越,因而被普遍看好。尤其是纳米二氧化钛,由于具有较为优越的性能和应用前景,因而发展势头和市场潜力较好。

3纳米二氧化钛在防晒化妆品中的应用选择

3.1晶型的选择

常用二氧化钛属正方晶体,其晶型有金红石型及锐钛矿型两种,前者可通过后者煅烧制得,因而晶格结构更完善,在热力学上更为稳定。

从折光率来看,金红石型为2.7,锐钛矿型为2.3,因此,金红石型对紫外线的发射、散射能力较强,而吸收力较弱。

通过对其表面进行研究,结果发现,在有氧气存在的情况下,金红石型的光活性比锐钛矿型的弱。这可能由于:1)金红石型产生电子2空穴对速率较快,更容易以热量或其它形式释放光能;2)金红石型在热处理时逐渐失水,减少了表面羟基;3)金红石型的氧气交换能力较弱,较不易吸收氧气。

因此,从保持稳定、增强屏蔽作用、减少二氧化钛光活性、降低其光危害性的角度出发,在化妆品中应尽量采用金红石型二氧化钛。

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