Диоксид титана - Декоративно-защитные пигменты

Диоксид титана (двуокись титана) TiO2 полиморфен, он кристаллизуется в двухсингониях: брукит -- в ромбической, рутил и анатаз -- в тетрагональной, но последние различаются строением кристаллической решетки. В обоих случаях каждый атом титана находится в центре октаэдра и окружен 6 атомами кислорода. Пространственное же расположение октаэдров разное: в анатазе на каждый октаэдер приходится 4 общих ребра, в рутиле только два (рис. 1).

атомные модели диоксида титана рутильной (а) и анатазной (б) формы

Рис. 1 Атомные модели диоксида титана рутильной (а) и анатазной (б) формы: атомы титана, атомы кислорода.

Элементарная ячейка анатаза состоит из четырех молекул, а рутила только из двух:

Благодаря более плотной упаковке ионов в кристаллах рутил превосходит анатаз по стабильности, плотности, твердости, показателю преломления, диэлектрической постоянной и обладает пониженной фотохимической активностью. При температуре 915°С анатаз переходит в рутил. Полностью этот процесс заканчивается при 950 °С, но полученный при этом рутил отличается высокой абразивностью и низкой дисперсностью. Поэтому раньше в качестве пигмента применялся только анатаз. В 1949 г. была найдена возможность управления кристаллизацией введением рутилизирующих добавок, а в последующем зародышей, что позволило снизить температуру перехода анатаза в рутил до 850 °С и получать первичные частицы размером 0,15 0,20 мкм округлой формы. Ионы Zn2+, Mg2+, Al3+, Sn2+ являются стабилизаторами рутильной формы, ионы SO42, РО43 -- анатазной. В присутствии даже малых количеств соединений фосфора переход анатаза в рутил становится невозможным. Рутилизирующие зародыши получают, обрабатывая гидратированный диоксид титана после пятой стадии промывки раствором едкого натра. При этом образуется тетратитанат натрия Na2Ti4O3, который обрабатывают соляной кислотой, и пептизируют продукт гидролиза, предварительно освобожденный от ионов SO42. Такие зародыши вводятся перед прокаливанием.

Рутил, прокаленный при температуре около 1000 °С и содержащий примеси Fe, Cr, Ni, Mn, проявляет свойство фототропии. При освещении он становится коричневым, в темноте вновь светлеет. Это объясняется окислением примесных металлов в высшие оксиды вследствие выделения кислорода при освещении ТiO2 с деформированной решеткой.

Минимальное количество примесей, внедрение которых в кристаллическую решетку рутила вызывает изменение окраски, составляет (в г на 1 г ТiO2): 3105 Fe2O3 -- желтая окраска; 1,5106 Сr2O3 -- коричневая: 3105 МnO2 -- серая: 7105 V2O5 -- серо-голубая. Диоксид титана, особенно его гидраты, легко адсорбирует оксиды и гидроксиды железа, которые придают желтую окраску анатазу уже при содержании 0,009 %, рутилу 0.003 %.

В чистом виде диоксид титана, особенно в анатазной форме, обладает высокой фотохимической активностью, что вызывает разрушение лакокрасочной пленки ("меление") и выцветание органических пигментов. Закрытие активных центров поверхности частиц диоксида титана гидроксидами Al, Si, Zn резко уменьшает фотохимическую активность. Такой модифицированный рутильный диоксид титана обладает незначительной фотохимической активностью и пригоден для атмосферостойких ответственных эмалей для автомашин и сельскохозяйственной техники.

Диоксид титана химически инертнен, нерастворим в слабых кислотам и щелочах и органических растворителях. Не ядовит, ПДК в воздухе рабочих зон 10 мг/м3 Диоксид титана может применяться со всеми видами пленкообразователей и растворителей. Пригоден для водоэмульсионных, воднодисперсионных и порошковых красок. Пигментный диоксид титана широко используется для окрашивания в массе изделий из резины, пластмасс, линолеума, бумаги и химических волокон. Лакокрасочная промышленность потребляет 63 65 % всего вырабатываемого пигментного диоксида титана, промышленность пластмасс 12 %, бумажная промышленность 14 %. Помимо пигментного диоксида титана, содержащего 82 95 % (масс.) TiO2, вырабатывается диоксид титана для твердых сплавов, стекол, керамики с более высоким содержанием TiО2. Мировое производство пигментного диоксида титана в 1980 г. составило 2,1 млн. т, из них более 75 % рутильной формы.

Сырье, для получения диоксида титана. Для переработки в пигментный диоксид титана используются минералы: природный рутил, содержащий 92 95 % (масс.) TiO2 и примесь Fe2О3, придающую ему красный цвет (рутил красный); ильменит FeOTiO2 или измененный ильменит-- арканзит Fe2О33TiO2; титаномагнетиты, состоящие из зерен ильменита и магнетита и содержащие 8 12 % (масс.) TiO2.

В чистом виде титансодержащие минералы встречаются редко. Для освобождения от примесей других минералов и пустой породы измельченные руды подвергают магнитному и другим видам обогащения и получают концентраты. Ниже приведен типовой химический состав титаномагнетитовых концентратов, % (масс.):

TiO2

40 52

FeO

26 36

Fe2O3

10 22

SiO2

1 3

Al2O3

0,5 3

CaO

0,6 2

MgO

0,6 3

MnO2

0,3 0,8

V2O5

0 0,3

Cr2O3

0,006 0,1

Наиболее ценным и перспективным сырьем являются титановые шлаки, получаемые при доменной и особенно электрометаллургической переработке титансодержащих руд и концентратов. Содержание ТiO2 в злаках достигает 80 85 % в легко растворимой в серной кислоте форме.

Похожие статьи




Диоксид титана - Декоративно-защитные пигменты

Предыдущая | Следующая