二氧化鈦(TiO2)是一種白色固體或粉末狀物質,屬于兩性氧化物,在自然界中以金紅石、銳鈦礦和板鈦礦等3種晶型存在。TiO2因白度好、著色力和遮蓋力強、化學穩定性強、無毒無污染等優點,廣泛應用于涂料、化纖、化妝品、造紙、塑料、橡膠、食品等工業中。
1、在顏料與涂料中的應用
顏料級鈦白粉的折射率高,消色力強,遮蓋力大,分散性好,白度好,無毒,物理和化學性質穩定,并且有優良的光學、電學性能。鈦白粉的使用占所有白色顏料的90%以上,作為顏料,在工業生產中可以起到增色、提亮、提高產品品質等作用。鈦白粉在乳膠漆、卷材和印鐵涂料、汽車漆、粉末涂料中的應用較多。其中,粒徑在200~400nm之間的顏料級鈦白粉,不僅具有紫外線屏蔽、靜電屏蔽、耐磨耐刮傷等性能,還可以提高涂料的附著力,防止涂料流掛。
2、在紡織和化纖中的應用
紡織和化纖是鈦白粉的一個重要應用領域,在化纖中一般使用銳鈦型鈦白粉,可起到消光的作用。TiO2的折射率較高,一般將0.2%~0.5%的TiO2加入到合成纖維,就能達到很好的消光效果。
3、在化妝品中的應用
TiO2可以吸收、反射、散射紫外線,能起到防紫外線照射的作用,在化妝品領域有一定的應用潛力。但納米TiO2本身的比表面能大,極性強,易團聚,影響了實際應用效果,因此通常將納米TiO2進行表面改性后再在化妝品領域使用。
4、在造紙工業中的應用
造紙是鈦白粉的第三大用戶。裝飾紙、圣經紙和紙幣中一般都使用鈦白粉,采用鈦白粉的紙張,白度好、強度高、有光澤、薄而光滑、印刷時不穿透,在相同條件下不透明度比碳酸鈣、滑石粉高10倍,質量也能減輕15%~30%。納米TiO2應用在造紙工業中,可以起到使紙張色彩亮麗、抗紫外線、穩定不易返黃等作用。
5、在塑料工業中的應用
塑料工業是鈦白粉的第二大用戶,通常鈦白粉在塑料領域的消耗量占鈦白粉應用領域消耗量的20%。全世界500余個鈦白粉牌號中,有50多個牌號是屬于塑料專用的。鈦白粉在塑料制品中的應用,除了利用它的高遮蓋力、高消色力及其他顏料性能外,它還能提高塑料制品的耐熱性、耐光性、耐候性,使塑料制品免受紫外光的侵襲,改善塑料制品的機械性能和電性能。幾乎所有熱固性和熱塑性塑料中都使用鈦白粉,一般用量為1%~5%,它既可以與樹脂干粉混合,也可以與含增塑劑的液體相混合,還有把鈦白粉先加工成色母粒后再使用的。
6、在油墨工業中的應用
鈦白粉白度好、粒度小而均勻、折射率高、很高的著色力和遮蓋力、良好的物理化學穩定性、光擴散性、耐光性、耐熱性、耐候性和疏水性等特性使其不僅是油墨制造中不可缺少的白色顏料,而且也是調配眾多中間色油墨產品的必用原料。含有鈦白粉的油墨耐久不變色,表面潤濕性好,易于分散。油墨行業所用的鈦白粉有金紅石型,也有銳鈦型。在水性油墨中加入顏料級TiO2,可使油墨具有著色強、易分散、耐久性好等優點。
7、在橡膠工業中的應用
鈦白粉在橡膠工業中既作為著色劑,又具有填充、防老化、耐酸堿和補強作用。在白色和淺色橡膠制品中加入鈦白粉,制成品具有老化慢、強度高、不開裂、不褪色、伸展率大及耐酸堿等特點。橡膠用鈦白粉,主要用于汽車輪胎以及膠鞋、橡膠地板、手套、運動器材等,一般以銳鈦型為主。但用于汽車輪胎生產時,為了增強其抗臭氧和抗紫外線能力,常加入一定量的金紅石型產品。
8、在食品工業中的應用
納米TiO2在食品工業生產中作為食品包裝材料,可以提高食品貯藏品質,有利于食品保鮮。
9、在醫療衛生方面的應用
TiO2光催化材料可以破壞細菌的細胞壁和細胞膜,從而起到殺菌消毒的作用。納米TiO2能夠分解病原菌和內毒素,在醫院病房、手術室等細菌大量繁殖的場所使用TiO2光催化抗菌建材,室溫條件下就能夠降解固體表面和液體中的內毒素。另有研究表明,在光照下,TiO2對宮頸癌細胞有明顯的殺滅作用,在治療腫瘤等醫療領域有很大的發展空間。
10、在電池中的應用
太陽能電池是一種可持續發展的綠色能源。染料敏化太陽能電池(DSSC)的成本低,制作方法相對簡單,無毒無害無污染,有著很好的開發前景。TiO2可用于染料敏化太陽能電池的生產,在TiO2電極表面添加納米Au、Ag或Pt等貴金屬粒子,摻雜非金屬離子、過渡金屬配合物,可以提高TiO2的光電轉換效率。TiO2還可以作為鈣鈦礦太陽能電池中的電子緩沖層材料,以及鋰離子電池、鈉離子電池的負極材料等。
11、在制氫中的應用
氫氣是一種清潔無污染的能源,TiO2光催化材料在制氫方面有很大的應用潛力。水分子中的氫氧鍵的鍵能較大,分解水時需要較大的能量,而TiO2光催化材料可以降低水分解時的活化能,使反應溫和。
12、在電子工業中的應用
鈦白粉在電子工業中主要是用于制造陶瓷電容器、壓電陶瓷、透明電光陶瓷等電子元器件所需電子陶瓷材料的重要原料之一。由于電子陶瓷材料用鈦白粉要求顆粒細、比表面積大、高抗還原性、高介電常數和電阻、純度高、雜質少,因此,電子工業用的通常是電容器用或試劑用鈦白粉。
資料來源:
[1]劉于民. 二氧化鈦表面功能化及應用研究[D].江蘇大學,2011.
[2]甘禹鑫,張帥奇,王志鴿,等.二氧化鈦材料的應用研究進展[J].化工技術與開發,2020,49(09):46-48+27.
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