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二氧化钛,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。二氧化钛可由钛铁矿用酸分解提取,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。二氧化钛可制作成光催化剂,净化空气,消除车辆排放物中25%到45%的氮氧化物,可用于治理PM2.5悬浮颗粒物过高的空气污染。

二氧化钛简介

二氧化钛(化学式:TiO₂),白色固体或粉末状的两性氧化物,分子量:79.87,是一种白色无机颜料,具有无毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度,被认为是目前世界上性能最好的一种白色颜料。钛白的粘附力强,不易起化学变化,永远是雪白的。广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等工业。它的熔点很高,也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。
二氧化钛一般分锐钛矿型(Anatase,简称A型)和金红石型(Rutile,简称R型)。

安全术语

S26 In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice.
不慎与眼睛接触后,请立即用大量清水冲洗并征求医生意见。
S36 Wear suitable protective clothing.
穿戴适当的防护服。

风险术语

R20/21/22 Harmful by inhalation, in contact with skin and if swallowed.
吸入、皮肤接触及吞食有害。
R36/37/38 Irritating to eyes, respiratory system and skin.
刺激眼睛、呼吸系统和皮肤。

结构

物理结构:金红石型、锐钛矿型;结晶系、四方晶系。
晶格常数:A轴0.458,c轴0.795,A轴0.378,c轴0.949
a轴:7.19X10 -6 2.88~10 -6
c轴:9.94X10 -6 6.44~10 -6

物理性质

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。
颜料名称
相对密度/(g/cm 3)
颜料名称
相对密度/(g/cm 3)
锐钛型二氧化钛
3.8~3.9
硫酸铅
6.4~6.6
金红石型二氧化钛
4.2~4.3
氧化锌
5.5~5.7
板钛型二氧化钛
4.12~4.23
锌钡白
4.2~4.3
碱式碳酸铅
6.8~6.9
硫化锌
4.0
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。例如,金红石型的介电常数,随晶体的方向不同而不同,当与C轴相平行时,测得的介电常数为180,与此轴呈直角时为90,其粉末平均值为114。锐钛矿型二氧化钛的介电常数比较低只有48。
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。例如,金红石型二氧化钛在20℃时还是电绝缘体,但加热到420℃时,它的电导率增加了107倍。稍微减少氧含量,对它的电导率会有特殊的影响,按化学组成的二氧化钛(TiO₂)电导率<10 -10s/cm,而TiO1.9995的电导率则高达10 -1s/cm。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,该工业领域利用上述特性,生产陶瓷电容器等电子元器件。
硬度:按莫氏硬度10分制标度,金红石型二氧化钛为6~6.5,锐钛矿型二氧化钛为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。
熔点沸点:由于锐钛矿型和板钛型二氧化钛在高温下都会转变成金红石型,因此板钛型和锐钛矿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 (1830±15)℃、富氧中的熔点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 (3200±300)K,在此高温下二氧化钛稍有挥发性。
吸湿性:
二氧化钛虽有亲水性,但吸湿性不太强,金红石型与锐钛型相比较小。
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。
二氧化钛的吸湿性也与表面处理及性质有关。
热稳定性:
二氧化钛属于热稳定性好的物质,一般用量为0.01%~0.12%。

化学性质

与熔融的碳酸钡生成偏钛酸钡(加入氯化钡或碳酸钠做助溶剂)
TiO 2+BaCO 3=BaTiO 3+CO 2
不溶于水或者稀硫酸,但是可以溶于热浓硫酸或熔融的硫酸氢钾
TiO 2+H 2SO 4=TiOSO 4+H 2O
二氧化钛溶于热浓硫酸所得溶液虽然是酸性的,但加热煮沸也能发生水解,得到不溶于酸、碱的水合二氧化钛(β型钛酸)。若加碱于新制备的钛盐酸性溶液,得到新鲜的水合二氧化钛(α型钛酸),其反应活性大于β型钛酸,可以溶于稀酸及浓碱。溶于浓氢氧化钠溶液后,从溶液中可以析出化学式为Na 2TiO 3·H 2O的水合钛酸盐。
二氧化钛与炭粉压制成团并经过焦化,加热到1070-1170K,可以制取气态的四氯化钛
TiO 2+2Cl 2+2C=TiCl 4↑+2CO↑
这一反应对于提炼钛很重要,可以简便的还原四氯化钛。
二氧化钛与COCl 2光气)、SOCl 2(二氯亚砜)、CHCl 3三氯甲烷)、CCl 4四氯化碳)等氯化试剂的反应也可以用于制取四氯化钛
TiO 2+CCl 4=TiCl 4↑+2CO 2↑(该反应770K下完成)

制备

制备二氧化钛的方法:

气相氧化法
用干燥的氧气在923K-1023K进行气相氧化:
TiCl 4+O 2=TiO 2+2Cl 2
硫酸法
首先用磨细的钛铁矿和硫酸(浓度≥80%,温度343K-353K)在不断通入空气并且搅拌的条件下反应,制得可溶性硫酸盐:
FeTiO 3+H 2SO 4=TiOSO 4+FeSO 4+2H 2O
由于这一反应是放热的,反应剧烈时温度可达473K。
制取二氧化钛时,关键点一步是使钛液水解
TiOSO 4+H 2O=TiO 2·H 2O↓+H 2SO 4
钛液的浓度、酸度‘温度都会影响水解反应的进行,浓度越小,酸度越小,温度越高,反应越容易发生。为了升高温度,反应常常在加压的情况下进行,这样也可以使沉淀颗粒比较紧密,让产品有更好的物理性能。

制取二氧化钛时钛含量的测定


  测定时首先往钛液中加铝片,把Ti(IV)还原为Ti 3+,Ti 3+的还原能力比Sn 2+强,它可以还原Fe 3+。因此测定时用KSCN做指示剂,用标准Fe 3+溶液滴定Ti 3+的含量。滴定时,Fe 3+离子稍微一过量,就生成血红色[FeSCN] 2+,此时到达滴定终点。

分级

Ⅰ类:二氧化钛干磨和未处理,Ⅰ类二氧化钛具有低表面积和低吸油值。
Ⅱ类:为Ⅰ类二氧化钛经过处理,并进行湿法研磨,去除大颗粒,并用4%量的硅-铝包覆,它具有最低表面积和最低吸油值。
Ⅲ类:为典型的超细包覆级,并有有机包覆。
Ⅳ类:大包覆量,又可分为Ⅳa和Ⅳb,其包覆量在5~10%之间。Ⅳb主要应用添加量高的二氧化钛中,因其不透明性优于Ⅳa。

性能

金红石型在高能(较短波长)吸收辐射能较锐钛型大,换句话说,对于金红石型钛白粉,在具有很强杀伤力的UV-波长段内(350-400nm),它对紫外线的反射率要远远低于锐钛型钛白粉,在这种情况下,它对周围的成膜物、树脂等身上所要分担的紫外光线就要少得多,那么这些有机物的使用寿命就长,这就是说,为什么通常所说的金红石型钛白粉的耐候性要比锐钛矿型好之原因所在。
性能
类型Ⅰ
类型Ⅱ
类型Ⅲ
类型Ⅳ
类型a b
TiO 2%(最小)
97
93
92
91
82
密度/(g/cm 3)
4.20
4.05
4.05
4.00
3.70
表面积/(m 2/g)
6.6-7.7
12.0-12.8
11.0-18.0
17.7
28.8
吸油值/(g/100g二氧化钛)
15
19
15-19
24
30
含水/(g/100g二氧化钛)
40
30
30
35
55
包覆%(铝/硅)
3.5
3.6
4.9
13.0
分散性
中等
中等

工业应用

二氧化钛是一种重要的白色颜料和瓷器釉料。用于油漆、油墨、塑料、橡胶、造纸、化纤、水彩颜料等行业。
二氧化钛是世界上最白的东西,1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。
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。
半导体二氧化钛的光化学性能已使其可用于许多领域,如空气、水和流体的净化。以碳或其他杂原子掺杂的光催化剂也可用于具有散射光源的密封空间或区域。用于建筑、人行石板、混凝土墙或屋顶瓦上的涂料中时,它们可以明显增加对空气中污染物如氮氧化物、芳烃和醛类的分解。
此外还广泛应用于生产防晒霜,无毒性,对人体无害。
超细二氧化钛具有优异紫外光屏蔽性和透明性。被广泛用在化妆品、木器保护、食品包装塑料、耐久性家用薄膜、人造纤维和天然纤维、透明涂料中。在金属闪光涂料中的特殊光学效应,使之在高级轿车漆中得到重视和应用。

食品应用

美国食品药品管理局规定二氧化钛可以作为所有的食品白色素,最大的使用量为1g/kg Sec. 73.575二氧化钛。色素添加剂二氧化钛可以安全用于一般着色食品中,服从下列规定:
(1) 二氧化钛的数量不超过食物重量的1%。
(2) 按照法令的401条所公布的特殊标准,不得使用的着色食品,除非有类似的标准允许添加色素。
(3)对于着色食品,食用的色素添加剂二氧化钛可以含有适当的稀释剂,作为安全的色素添加剂,如下:二氧化硅,作为分散助剂,含量不超过2%。
产品适应:凉果类、果冻、油炸食品、可可制品、巧克力、巧克力制品、硬制糖果、抛光糖果、胶基糖果、膨化食品、糖果巧克力制品包衣、蛋黄酱、沙拉酱、果酱、固体饮料、魔芋凝胶食品等。

环境保护

净化空气

二氧化钛,作为光涂料颜料的催化剂,不仅是一种环境安全的清洁剂,而且可以起到节省能量还有保护环境资源的作用。
早期日本和英国的科学家将二氧化钛涂覆在城市马路的铺路石表面,用以清洗路面空气。二氧化钛可以与沥青混合,减少空气中的污染物。当汽车经过时,含二氧化钛的混凝土或沥青可以净化空气,消除车辆排放物中25%到45%的氮氧化物。将二氧化钛涂覆在混凝土面上,其清洗空气的效果同样显著。

给地球降温

图为电子显微镜下的二氧化钛

图为电子显微镜下的二氧化钛

2012年5月,英国科学家提出了一个大胆设想,他们认为可通过向平流层喷洒足够的二氧化钛来反射太阳光,从而达到为地球降温的目的,这么做能够有效抵消因全球变暖而导致的各种不利气候因素。
由于二氧化钛能够有效反射太阳光的直射,并且其性质稳定,具有良好的遮盖能力,如若喷洒在平流层能够长期发挥作用。英国科学家提出,可利用高空气球将这一化学物质带入到平流层,然后进行释放,一旦二氧化钛均匀分布在地球平流层之后,能够有效反射太阳光,从而为地球降温。
英国咨询公司戴维森科技的总裁、化学工程学家彼得·戴维森是这个项目的负责人,他介绍称,只需要往地球平流层运送300万吨的二氧化钛,就能够在地球平流层形成一层厚度为1毫米的保护层,而它能够起到的作用却是巨大的-足够抵消两倍当前大气中二氧化碳含量所导致的温室效应
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