I. Wprowadzenie
Dwutlenek tytanu (TiO₂)to nieorganiczny biały pigment, którego głównym składnikiem jest dwutlenek tytanu. Ze względu na strukturę krystaliczną TiO₂ można podzielić na anataz, strumyk i rutyl. Ze względu na wysoki współczynnik załamania światła, dużą siłę barwienia, doskonałą białość, nie-toksyczność i dobrą stabilność dwutlenek tytanu jest szeroko stosowany w powłokach, tworzywach sztucznych, papiernictwie i tuszach, z czego przemysł powłokowy charakteryzuje się największym zużyciem-około 60%.
Niezależnie od tego, czy jest to powłoka na bazie rozpuszczalnika,-czy na bazie wody-, TiO₂ zapewnia nie tylko siłę krycia i efekty dekoracyjne, ale także znacznie poprawia właściwości fizyczne i chemiczne powłok. Zwiększa stabilność chemiczną, siłę krycia, siłę barwienia, odporność na korozję, odporność na światło i odporność na warunki atmosferyczne; zwiększa wytrzymałość mechaniczną i przyczepność folii; zapobiega pękaniu; oraz blokuje promieniowanie UV i przenikanie wilgoci,-opóźniając starzenie i wydłużając żywotność powłoki. Może także zmniejszyć zużycie materiałów i wspierać dywersyfikację produktów.
II. Wpływ wielkości cząstek dwutlenku tytanu na siłę krycia powłoki
Różnice w kształcie i wielkości cząstek TiO₂ znacząco wpływają na stopień rozproszenia światła i są kluczowymi czynnikami wpływającymi na siłę krycia. Badania pokazują, że w identycznych warunkach, gdy wielkość cząstek TiO₂ mieści się pomiędzy160–350 nm-około0,4–0,5 długości fali światła widzialnego-zdolność rozpraszania jest największa i bezpośrednio poprawia skuteczność krycia powłoki.
Jeśli materiały-błonotwórcze nie pokryją w pełni cząstek TiO₂, może nastąpić kontakt cząstek i aglomeracja, skutecznie zwiększając rozmiar cząstek i zmniejszając siłę krycia.
III. Wpływ dyspergowalności dwutlenku tytanu na siłę krycia powłoki
W branży powłok stopień dyspersji cząstek proszku w dużej mierze determinuje wydajność produktu. Podczas produkcji dyspersja TiO₂ obejmuje zwilżanie, mielenie i dyspergowanie.
Stabilna zawiesina TiO₂ poprawia siłę krycia, ale ze względu na aktywność TiO₂ i wrażliwość na środowisko preparatu mogą wystąpić problemy takie jak flokulacja, sedymentacja i niestabilność. Dlatego jakość dyspersji znacząco wpływa na siłę krycia.
IV. Wpływ dawki dyspergatora na siłę krycia powłoki
Ponieważ cząstki TiO₂ są mniejsze niż większość wypełniaczy i mają tendencję do agregacji, wybór i dozowanie dyspergatorów silnie wpływa na dyspersję TiO₂, a tym samym na siłę krycia powłoki. Badania pokazują, że wraz ze wzrostem dawki środka dyspergującego poprawia się dyspersja pigmentu/wypełniacza, rozkład wielkości cząstek zawęża się, a efektywny rozmiar cząstek zmniejsza się-, co skutkuje większą siłą krycia.
V. Ścieżki zrównoważonego rozwoju dwutlenku tytanu w powłokach
Jako wysoce skuteczny pigment-rozpraszający światło, TiO₂ zapewnia doskonałą biel i siłę krycia. Wraz z szybkim rozwojem branży motoryzacyjnej, budowlanej i-powłok wodnych, światowy popyt stale rośnie.
Jednakże wyzwania związane ze zużyciem zasobów, wykorzystaniem energii i wpływem na środowisko nasiliły się. Zwiększenie zrównoważonego rozwoju branży TiO₂ stało się pilne.
Oprócz opracowywania nowych technologii produkcji producenci powłok muszą zbadać sposoby poprawy efektywności wykorzystania TiO₂ lub zidentyfikować zamienniki w celu zmniejszenia zużycia.
1. Poprawa efektywności wykorzystania dwutlenku tytanu
W praktycznych zastosowaniach aglomeracja i flokulacja TiO₂ mogą uniemożliwić optymalną siłę krycia nawet przy dużej zawartości pigmentu. Dlatego też zwiększenie efektywności rozpraszania światła stało się głównym przedmiotem badań.
Michael wykorzystał symulacje Monte Carlo, aby wykazać, że zastąpienie gruboziarnistych wypełniaczy drobnymi wypełniaczami zwiększa odstępy między cząsteczkami TiO₂, poprawiając ukrywanie przezefekt „rozstawu pigmentów” lub „rozcieńczenia pigmentu”.. Mniejsze wypełniacze lepiej oddzielają cząstki TiO₂, zwiększając skuteczność rozpraszania i zmniejszając ilość TiO₂ potrzebną do równoważnego krycia.
Jednak rozmieszczone w odstępach cząstki TiO₂ nadal mają tendencję do-ponownej aglomeracji.
W 2013 r.Dow Chemicalotrzymał nagrodę prezydenta USA Green Chemistry Challenge Award za rozwójTechnologia pre-kompozytowych polimerów EVOQUE™. Polimery te wiążą się z powierzchniami TiO₂, zapewniając odstępy poprawiające rozkład cząstek i skuteczność rozpraszania. Poprawia to siłę krycia i obniża zawartość TiO₂ nawet o20%, redukując koszty przy jednoczesnym utrzymaniu lub poprawie wydajności. Technologia ta poprawia również odporność na plamy i korozję, zmniejsza zużycie energii i-według niezależnego LCA-zmniejsza emisję dwutlenku węgla poprzezponad 22%i zużycie wody przez30%.
W 1997 r.Virtanenwprowadził technologię „pre-kapsułkowania” TiO₂, tworząc pigmenty rdzeniowe-powłoki z rdzeniami TiO₂ i otoczkami z węglanu wapnia. Powłoka zapewnia odstępy, poprawiając rozpraszanie i zmniejszając ślad węglowy o około 70%. Firma FP Pigments skomercjalizowała tę technologię.
Podobnie firma Chemours opracowała gatunek TiO₂ poddany obróbce,TS-6300, który charakteryzuje się ulepszoną obróbką powierzchni, która zwiększa odstępy między cząstkami i zmniejsza aglomerację. Zwiększona absorpcja oleju obniża CPVC, dzięki czemu puste przestrzenie powietrzne w folii jeszcze bardziej poprawiają rozpraszanie światła.
2. Wprowadzenie powietrza
Powietrze w powłoce zmniejsza współczynnik załamania światła mieszaniny żywicy i powietrza, zwiększając kontrast współczynnika załamania światła z TiO₂ i poprawiając rozpraszanie światła. Trzy rodzaje pustek powietrznych wpływają na siłę krycia:
- Powietrze w żywicy
- Powietrze w cząstkach wypełniacza
- Powietrze na styku pigment-żywica
Klasycznym przykładem są puste w środku mikrosfery polimerowe, opracowane po raz pierwszy w 1984 roku przez Kowalskiego i wprowadzone na rynek przez firmę Rohm and Haas jakoROPAQUE™. Podczas suszenia woda znajdująca się w mikrosferach odparowuje i zostaje zastąpiona powietrzem, co ułatwia krycie suchości.
Kiedy TiO₂ zostanie częściowo zastąpiony pustymi w środku mikrosferami, początkowe krycie na mokro może się zmniejszyć, ale krycie na sucho poprawia się do poziomu powłok składających się wyłącznie z TiO₂-. Mikrosfery zwiększają również odporność na plamy, zmywalność i trwałość koloru zewnętrznego.
Mikroporowaty kalcynowany kaolin z Omya podobnie zawiera zamknięte puste przestrzenie powietrzne. Powstałe w wyniku szybkiej kalcynacji cząstki rozszerzają się wewnętrznie pod wpływem ciśnienia pary, tworząc zamknięte pory, które poprawiają krycie zarówno na mokro, jak i na sucho. Aż do20%Redukcja TiO₂ jest osiągalna.
Porównania pokazują:
- Zarówno mikroporowaty kaolin, jak i puste w środku mikrosfery znacznie zwiększają krycie.
- Mikroporowaty kaolin ma tendencję do tworzenia efektów matowych.
- Mikrosfery zwiększają połysk.
W porównaniu z CPVC mikroporowaty kaolin sprawdza się jeszcze lepiej, ponieważ zarówno wewnętrzne, jak i zewnętrzne puste przestrzenie przyczyniają się do krycia, zachowując jednocześnie niską absorpcję oleju i dobrą odporność na szorowanie.
Nguyen i in. dalej opracowane nanostruktury „kanapkowe” polimer – TiO₂, łączące TiO₂, puste przestrzenie powietrzne i odstępy między polimerami, aby zapewnić wiele ścieżek rozpraszania.
Podsumowując, poprawa dyspersji TiO₂, minimalizacja aglomeracji i wprowadzenie-struktur powietrznych może znacząco poprawić siłę krycia, umożliwić częściowe zastąpienie TiO₂, zmniejszyć emisję dwutlenku węgla i wspierać zrównoważony rozwój TiO₂.
VI. Zastosowania dwutlenku tytanu
TiO₂ jest szeroko stosowany w powłokach, tworzywach sztucznych, gumie, tuszach, papierze, włóknach chemicznych, ceramice, chemikaliach codziennego użytku, farmaceutykach i produktach spożywczych.
Powłoki
Przemysł powłokowy jest największym-odbiorcą końcowym, zwłaszcza rutylu TiO₂. Powłoki zawierające TiO₂ zapewniają jasne kolory, silną siłę krycia i barwienia, lepszą wytrzymałość i przyczepność powłoki, odporność na promieniowanie UV i wilgoć oraz dłuższą żywotność.
Tworzywa sztuczne
Przemysł tworzyw sztucznych jest drugim-największym konsumentem. TiO₂ zwiększa odporność na ciepło, światło, warunki atmosferyczne, wytrzymałość mechaniczną i żywotność produktów z tworzyw sztucznych.
Papiernictwo
Papiernictwo to trzecie-co do wielkości zastosowanie. TiO₂ poprawia białość, połysk, wytrzymałość, gładkość i nieprzezroczystość. Anataz TiO₂ jest powszechnie stosowany ze względu na jego niebieskawy odcień i efekt rozjaśniający. Papiery laminowane wymagają rutylowego TiO₂ dla lepszej odporności na ciepło i światło.
Atramenty
TiO₂ to niezbędny biały pigment w wysokiej jakości-atramentach, zapewniający doskonałą trwałość, zwilżalność i dyspergowalność.
Włókna i tekstylia
TiO₂ stosuje się jako środek zmiękczający włókna chemiczne, zwykle w postaci anatazu ze względu na jego miękkość. Niektóre gatunki wymagają obróbki powierzchniowej w celu ograniczenia fotokatalitycznej degradacji włókien.
Przemysł emalierski
Wysokiej-czystości emalia-TiO₂ zapewnia dużą nieprzezroczystość, jednolity rozmiar cząstek, wysoki współczynnik załamania światła, doskonałą biel i dobrą odporność na kwasy,-tworząc gładkie, cienkie i trwałe powłoki emaliowe.
Ceramika
TiO₂ klasy ceramicznej- charakteryzuje się jednolitym rozmiarem cząstek, wysokim współczynnikiem załamania światła i doskonałą stabilnością termiczną (wytrzymuje temperaturę 1200 stopni przez 1 godzinę bez szarzenia). Jest szeroko stosowany w ceramice, materiałach budowlanych i dekoracyjnych.
Przemysł TiO₂ w Chinach rozpoczął się w połowie lat pięćdziesiątych XX wieku. Dziś Chiny stanowią30% globalnej wydajności TiO₂i jest jednocześnie największym producentem i konsumentem na świecie. W latach 1999–2011 zużycie TiO₂ w Chinach wzrosło z 248 000 ton do 1,65 miliona ton-co daje CAGR wynoszący 17,11%.
Chiny mają obecnie ponad 50 producentów TiO₂, wielu z nich w regionie wschodnim, pomimo ograniczonych zasobów surowców. Tymczasem zasoby rud tytanu zlokalizowane są głównie na południowym zachodzie. Branża pozostaje stosunkowo rozdrobniona. Produkcja TiO₂ w Chinach przesunęła się z przetwarzanego głównie anatazu siarczanowego-na głównie gatunki rutylowe, które obecnie stanowią ponad 70% produkcji. Jednak wysokiej klasy-TiO₂ nadal w dużym stopniu opiera się na imporcie.
Krajowa produkcja chlorowanego TiO₂ pozostaje bardzo ograniczona i wynosi około 30 000 ton, chociaż kilka firm planuje zwiększyć moce produkcyjne chlorowania do ponad 600 000 ton. Okres ten stanowi krytyczny etap modernizacji struktury produktu, ulepszania technologii i wdrażania zaawansowanych procesów.
VII. Wniosek
Wraz z rosnącą presją na środowisko i rosnącą świadomością zrównoważonego rozwoju, branża TiO₂-charakteryzująca się dużym zanieczyszczeniem i wysokim zużyciem energii- stoi przed poważnymi wyzwaniami. Zwiększanie efektywności wykorzystania TiO₂, zmniejszenie zużycia i rozwój alternatywnych materiałów, jako niezbędnego białego pigmentu w powłokach, to kluczowe kroki w kierunku zrównoważonego rozwoju.