اکسید تیتانیوم چیست و چه کاربردهایی دارد؟

امروزه افراد زیادی درمورد مواد اولیه موجود در خوراکی‌ها، دارو‌ها، لوازم آرایشی و ... کنجکاو هستند و دوست دارند درباره این مواد اطلاعات بیشتری به دست بیاورند. یکی از پر مصرف‌ترین مواد شیمیایی استفاده شده در صنایع مختلف مانند صنایع غذایی و دارویی، اکسید تیتانیوم است. اکسید تیتانیوم با نام‌های دیگر دی‌اکسید تیتانیوم یا تیتانیا شناخته می‌شود و اغلب به صورت پودر سفید بی‌بو موجود است. یکی از مهم‌ترین کاربردهای اکسید تیتانیوم در کرم‌های ضد آفتاب مینرال است. ما در مقاله اکسید تیتانیوم چیست و چه کاربردهایی دارد، روش تولید این ماده را بررسی می‌کنیم و به این می‌پردازیم که انواع گریدهای اکسید تیتانیوم چیست.

اکسید تیتانیوم چیست؟

دی اکسید تیتانیوم (Titanium Dioxide) یک ماده معدنی طبیعی است که از زمین استخراج می‌شود و سپس برای استفاده در محصولات مصرفی متنوع پردازش و تصفیه می‌شود. همچنین به عنوان اکسید تیتانیوم (IV) یا تیتانیا نیز در جهان شناخته می‌شود. این ترکیب شیمیایی از فلز تیتانیوم و اکسیژن تشکیل شده است. به‌طور کلی منبع آن از ایلمنیت، روتیل و آناتاز تأمین می‌شود. کاربردهای وسیعی از جمله رنگ کرم‌های ضدآفتاب و رنگ‌های خوراکی دارد. هنگامی که به عنوان رنگ غذا استفاده می‌شود، عدد ئی آن ۱۷۱ (E171) است. تولید جهانی در سال ۲۰۱۴ حدود ۷٫۵ میلیون تن بود و این مقدار در حال افزایش است.

خواص فیزیکی و شیمیایی اکسید تیتانیوم

این ترکیب شیمیایی به طور کلی یک پودر سفید است که به محصولات مختلف رنگ سفید می‌دهد. با این حال، وقتی از آن به عنوان پودر بسیار ریز استفاده می‌شود، دیگر به محصول رنگ سفید نمی‌دهد. این ترکیب شیمیایی به نام دی‌اکسید تیتانیوم ریز یا مقیاس نانو نامیده می‌شود که در بسیاری از محصولات ضد آفتاب OTC استفاده می‌شود. به عنوان رنگدانه نیز، دی‌اکسید تیتانیوم یک افزودنی غذایی تأیید شده توسط FDA است که برای افزایش رنگ سفید در برخی از محصولات غذایی، مانند لبنیات و آب‌نبات‌ها و درخشندگی خمیردندان و برخی داروها استفاده می‌شود. همچنین به عنوان طعم‌دهنده در انواع مواد غذایی رنگی از جمله سبزیجات خشک، آجیل، دانه‌ها، سوپ‌ها و خردل و همچنین آبجو و شراب استفاده می‌شود.

روش تولید اکسید تیتانیوم

برای اینکه بهتر بدانید اکسید تیتانیوم چیست، باید با روش تولید آن آشنا شویم. این ماده به دو روش سولفات و کلرید تولید می‌شود.

• روش سولفات

در ابتدا ایلمنیت با فرمول FeTiO₃ با با اسید سولفوریک 60 درصد غلظت در دمای 100 درجه سانتی‌گراد واکنش می‌دهد:

FeTiO₃ + 2H₂SO₄ → FeSO₄ + TiOSO₄ + 2H₂O

در مرحله بعد، لازم است آهن سولفات از محلول حذف شود. برای انجام این کار، محلول را تا دمای 15 درجه سانتی‌گراد سرد می‌کنیم تا کریستال‌های آهن سولفات با روش فیلتراسیون از محلول خارج شوند. محلول باقی‌مانده را تا دمای 110 درجه سانتی‌گراد گرم می‌کنیم تا تیتانیوم اکسیژن سولفات هیدرولیز شود. در مرحله هیدرولیز سولفوریک اسید به همراه اکسید تیتانیوم ژل ماننده به وجود می‌آید:

TiOSO₄ + (n+1)H₂O → TiO₂•nH₂O + H₂SO₄

در آخرین مرحله لازم است اکسید تیتانیوم هیدراته را دهیدراته کرد. آب در دمای بین 200 تا 300 درجه سانتی‌گراد بخار می‌شود. در دمای بین 800 تا 930 درجه سانتی‌گراد فرایند کریستالی شدن اکسید تیتانیوم انجام می‌شود. فواید روش سولفات در ارزان بودن مواد اولیه است. از معایب این روش می‌توان به طولانی بودن، استفاده زیاد از اسید سولفوریک و به وجود آمدن مقدار زیادی ضایعات اشاره کرد.

TiO₂•nH₂O → TiO₂ + nH₂O

• روش کلرید

در این روش سنگ معدن تیتانیوم، که نادر است و باید 70 درصد روتیل داشته باشد، با کربن احیا می‌شود و با کلر، اکسید می‌شود. واکنش تولید اکسید تیتانیوم به روش کلرید به شکل زیر است:

TiO₂ + C → Ti + CO₂

Ti + 2Cl₂ → TiCl₄

TiCl₄ + O₂ → TiO₂ + 2Cl₂

این روش بسیار گران است و به تجهیزات پیچیده نیاز دارد و تنها فایده این روش در کوتاه بودن و مصرف کمتر انرژی است.

کاربردهای اکسید تیتانیوم

نانو تیتانیوم دی‌اکسید 

با توجه به اندازه‌ی کوچک سایز ذرات و بالا بودن سطح این ماده، TiO2 به عنوان یک نانو ماده اجازه می‌دهد تا کاتالیست‌های گوناگونی با فعالیت سطح بالا تولید گردد. این نوع گرید به عنوان رنگدانه مورد استفاده قرار نمی‌گیرد زیرا از نظر سایزی با گرید رنگدانه‌ای متفاوت است و رنگ و کدورت را به محصول نمی‌دهد.

در سلول‌های خورشیدی نیز این ماده به دلیل داشتن ذرات کوچک و بازتاب نور خورشید می‌تواند به عنوان بستر سلول‌های DSSC مورد استفاده قرار بگیرد. همچنین این ترکیب به صورت DENOX به عنوان یک کاتالیست در سیستم‌های گاز اگزوز خودروها، کامیون‌ها و نیروگاه‌ها استفاده می‌شود و موجب به حداقل رساندن خسارات محیط زیست می‌گردند.

انواع کاتالیزورها

کاتالیزورهای حاوی تیتانیوم را می‌توان به کاتالیزور‌های الی، معدنی، پیچیده و ترکیبی تقسیم‌بندی نمود. هر دو ترکیب آلی و غیر آلی تیتانیوم جز اصلی کاتالیزورهای پیچیده برای واکنش‌های استریفیکاسیون و ترانس استریفیکاسیون در سوخت‌های دیزلی می‌باشند. کاتالیزورهای فلزی مبتنی بر تیتانیوم با توجه به فعالیت بالای نانو ذرات TiO2 برای واکنش‌های کاهش و اکسیداسیون در فشار و دمای پایین بسیار پرکاربرد هستند و در محیط‌های اسیدی و یا بازی پایداری شیمیایی خوبی از خود نشان می‌دهد.

کاتالیست‌ها 

در بسیاری از پایه‌های کاتالیستی مخصوصا کاتالیست‌های مورد استفاده در صنعت خودروسازی از این ذرات برای زدایش گازهای مخرب اگزوز خودرو و ترکیبات اکسیدهای نیترات به کار برده می‌شود.

این مواد موجب زدایش گازهای آلوده منتشر شده از اگزوز خودروها و یا دودکش‌ها می‌شوند. TiO2 می‌تواند خاصیت کاتالیستی را بهبود ببخشد و مدولاسیون فعالیت‌های کاتالیزوری برای بسیاری از واکنش‌ها نظیر دهیدروژناسیون، هیدروسولفوریزاسیون، واکنش‌های تجزیه‌ای و حرارتی را تسریع کند.

به تازگی تحقیقات زیادی برای TiO2 به دلیل سطح بالا و تثبیت کاتالیزورها در ساختار مزوپور به عنوان یک ماده‌ی جایگزین برای کاتالیزورهای ناهمگن انجام شده است. به دلیل بازده کوانتومی کم، و توانایی جذب کم، هزینه‌های بالا و مشکلات در جداسازی استفاده از این ماده در صنایع بزرگ به عنوان کاتالیزور و جایگزین مناسب برای کاتالیزورهای ناهمگن محدود گشته است. و تحقیقات بر روی این ماده به عنوان  یک ماده‌ی حمایت کننده‌ی کاتالیست (مثلا به عنوان بستر) ادامه دارد.

TiO2 مزوپور در فاز آناتاز برای افزایش میزان توزیع کاتالیست مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر استفاده از این ماده به عنوان کاتالیست برای جذب آلاینده‌ها، این ماده در تولید و تسریع واکنش‌های سایر محصولات مانند پلیمرها، پلاستیک، دارو، مواد شوینده و… نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تصفیه آب و پساب

امروزه بیشتر غشاهای ساخته شده در روش‌های مختلف فیلتراسیون از این ذرات استفاده می‌کنند.

کاربردهای دیگر اکسید تیتانیوم

– دی‌اکسید تیتانیوم در محلول یا سوسپانسیون می‌تواند استفاده شود برای شکافتن پروتئینی که حاوی اسیدآمینه پرولین است در مکانی که در آن پرولین موجود باشد.

– TiO₂ پتانسیل استفاده به عنوان هادی مختلط (en: Mixed conductor) را دارد و به دلیل ترکیب یونی قوی و رسانای الکتریکیِ الکترون‌های آن و همچنین مواد هادی مختلط، پیش نیازی برای پدیده‌های سینتیک (en:Electrokinetic phenomena) هستند.

– فیلم‌ها (لایه‌های نازک) و بلورهای تک کریستال TiO₂ به عنوان یک نیم‌رسانا استفاده می‌شود و همچنین در حالت دی‌بی‌آرِ آینه‌های مستقیم (en:Dielectric mirror) به خاطر ضریب شکستِ بالای TiO₂ استفاده دارد.

انواع فرم رنگدانه‌ای اکسید تیتانیوم

استفاده از این ماده به عنوان رنگدانه در فرم آناتاز برای اولین بار در سال 1923 در فرانسه گزارش شد. امروزه این روند رو به رشد گزارش شده است و این ترکیب نقشی مهم در تولید انواع رنگدانه‌ها دارد.

طبق گفته‌های انجمن مواد و تست آمریکا  (ASTM)  این ماده به صورت رنگدانه در 4 نوع موجود می‌باشد:

نوع 1: دارای حداقل 94% TIO2 می‌باشد. نوع گرید آن آناتاز است و در رنگ‌های سفید داخل و یا خارج منزل استفاده می‌گردد. این گرید دارای بیشترین مقاومت می‌باشد.

نوع2: دارای حداقل 92% TiO2 می‌باشد و نوع گرید آن روتایل می‌باشد. دارای مقاومت متوسطی است و در تهیه‌ی لاک ناخن، رنگ‌های داخلی و لعاب‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نوع3: دارای 90% TiO2 است و گرید آن نیز روتایل می‌باشد. مقاومت این نوع گرید نیز متوسط است و از آن در رنگ‌های آلکیدی پرکاربرد برای رنگ آمیزی دیوارهای منازل استفاده می‌گردد.

نوع 4: با دارا بودن 80% TiO2 نوع دیگری از گرید روتایل است که مقاومت بالایی دارد. بنابراین از آن در رنگ‌آمیزی‌های بیرونی استفاده می‌کنند. همچنین این ماده دوام بسیار عالی و درخشندگی خوبی از خود نشان می‌دهد.

معرفی گریدهای اکسید تیتانیوم

گریدهای مختلف یک ماده بیشتر نشان دهنده کاربرد آن ماده در یک صنعت خاص است. به همین دلیل مهم است که برای آشنایی بیشتر با اکسید تیتانیوم، اطلاعاتی درمورد اینکه گرید‌های مختلف اکسید تیتانیوم چیست، داشته باشید.

1. گرید دارویی اکسید تیتانیوم (Titanium Dioxide Pharma Grade)

فرمول شیمیایی اکسید تیتانیوم TiO₂ و وزن مولکولی آن 79.87 گرم بر مول است. pH این ماده 6 تا 8 است و به صورت پودر سفید نامحلول در آب به فروش می‌رسد. این ماده به دلیل داشتن ویژگی‌های زیر، در اکثر فرمولاسیون‌های دارویی مانند قرص‌ها، کپسول‌ها، پمادها و ... به کار می‌رود:

• رنگ سفید قرص‌ها و کپسول‌ها را تامین می‌کند و رنگ‌های دیگر در کنار آن برجسته‌تر می‌شوند.
• از مواد حساس به نور (Photosensitive Ingredients) محافظت می‌کند.
• قابلیت حفظ ماندگاری داروها و جلوگیری از فاسد شدن در اثر گرما، رطوبت و نور را دارد.
• میزان اثرگذاری داروها را تغییر می‌دهد.
• نور را پراکنده می‌کند و اشعه فرابنفش را جذب می‌کند.

2. گرید خوراکی اکسید تیتانیوم (Titanium Dioxide food grade)

مشخصات شیمیایی این گرید نیز مانند گرید دارویی است. چگالی این ماده در دمای 25 درجه سانتی‌گراد 4.17 گرم بر میلی‌لیتر است و نقطه ذوب و نقطه جوش آن به ترتیب 1830 تا 3000 و 2900 درجه سانتی‌گراد است. اکسید تیتانیوم خاصیت پراکنده کردن نور را دارد و به مواد غذایی اضافه می‌شود تا رنگ سفید و روشن در آن‌ها بیشتر شود. آدامس، آب‌نبات، شیرینی، شکلات، خامه قهوه و تزئینات کیک حاوی گرید خوراکی اکسید تیتانیوم هستند.

این ماده همچنین در بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شود و ماندگاری محصول را حفظ می‌کند. مطالعات نشان داده‌اند که بسته‌بندی‌های حاوی اکسید تیتانیوم تولید اتیلن در میوه را کاهش می‌دهد و عمر مفید مواد غذایی را بیشتر می‌کند. این ماده خاصیت ضد باکتریایی و فوتوکاتالیستی نیز دارد.

3. گرید آرایشی اکسید تیتانیوم (Titanium Dioxide Cosmetics grade)

خواص شیمیایی این گرید مانند گریدهای قبلی است. دی‌اکسید تیتانیوم به طور گسترده‌ای در محصولات آرایشی و بهداشتی مانند رژلب، کرم ضد آفتاب، خمیردندان، کرم و پودر استفاده می‌شود و در این محصولات نقش تقویت کننده رنگ را دارد. این ماده به ویژه در ضد آفتاب معدنی یا فیزیکی کاربرد دارد؛ زیرا در برابر اشعه فرابنفش مقاومت دارد و مانع رسیدن این اشعه به پوست می‌شود. البته بعضی از افراد نگران هستند که دی‌اکسید تیتانیوم موجود در رژلب و خمیردندان از طریق پوست جذب یا بلعیده می‌شود. همچنین این ماده شیمیایی رنگ مات سفید را به صابون‌ها ارائه می‌دهد که دستیابی به آن با استفاده از انواع دیگر رنگدانه‌ها بسیار دشوار است.

4. گرید روتیل اکسید تیتانیوم (titanium dioxide rutile grade)

دو فرم روتیل و آناتاز رایج‌ترین فرم‌های این ماده می‌باشند. فرم روتیل این ماده بزرگتر از فرم آناتاز آن است. فرم سوم یا همان بورکیت ساختار بلوری اورتورومبیک دارد و به ندرت مورد استفاده قرار می‌گیرد و در اکثر برنامه‌های کاربردی نقشی ندارد. فاز آناتاز شامل زنجیره‌های زیگزاگ شکل از مولکول اکتاهدرال است که به یکدیگر متصل می‌باشند. در حالی که فرم روتیل این ماده دارای زنجیره‌های خطی متصل از لبه‌های مخالف مولکول اکتاهدارل است. همانطور که گفته شد انتقال فاز آناتاز به روتیل در دمای حدود 600 درجه‌ی سانتی‌گراد رخ می‌دهد اما در بعضی مواقع نیاز به پایداری دمایی این ماده تا دمای 900 درجه می‌باشد. برای این منظور و تثبیت فاز آناتاز در برنامه‌های دمایی بالاتر از افزودن کاتیون به این ساختار استفاده می‌نمایند.

گرید روتیل آن در صنعت رنگ و پوشش به کار می‌رود و جایگزین تمام رنگدانه‌های سفید در این صنعت شده است. همچنین این گرید اکسید تیتانیوم در رنگ پلاستیکی و اسباب‌بازی‌ها، لوازم خانگی، ماشین‌ها و ... استفاده می‌شود. این گریدها در صنعت رنگ و پوشش استفاده می‌شوند: R-706, R-960, R-902, R-700 و R-900.

مضرات دی‌اکسید تیتانیوم

برخی از محققان معتقدند کوچک بودن نانو ذرات دی‌اکسید تیتانیوم در مواد غذایی ممکن است هنگام خوردن مشکلاتی را در بدن ایجاد کند. از آنجا که نانو‌ذرات می‌توانند از طریق فیلترهای کلیه، سد روده و از طریق سد خونی مغزی عبور کنند، می‌توانند برخی از اثرات سمی مانند واکنش‌های التهابی را در پی داشته باشند. سایر خطرات بهداشتی ناشی از مصرف بیش از حد شیرینی‌های حاوی نانوذرات TiO۲ می‌تواند، شامل مواردی نظیر: واکنش‌های التهابی یا آلرژیک مرگ سلول‌ها در اثر استرس اکسیداتیو و بروز برخی از بیماری‌های مزمن مانند آب مروارید می‌گردد که پارلمان اتحادیه اروپا خواستار ممنوعیت فروش مواد غذایی حاوی دی‌اکسید تیتانیوم به دلیل خطرات احتمالی آن شده است. در واقع از ژانویه ۲۰۲۰، فرانسه استفاده از این ترکیب شیمیایی را به عنوان افزودنی مواد غذایی ممنوع کرده است. با این حال، انجمن تولیدکنندگان دی‌اکسید تیتانیوم (TDMA) می‌گوید که E171 به طور کامل آزمایش شده است و هیچ ارتباطی بین مصرف این ترکیب شیمیایی و بیماری وجود ندارد. اداره ایمنی مواد غذایی اروپا (EFSA) با تأیید این موضوع اظهار داشت که TiO۲ نگرانی ایمنی ندارد.

سوالات متداول

•  مواد مشابه اکسید تیتانیوم چیست؟

• اسید سیتریک خشک
• رنگ سانست یلو
• لسیتین

• آیا دی‌اکسید تیتانیوم در ترکیب آرایشی و بهداشتی بی‌خطر است؟

دی‌اکسید تیتانیوم در واقع زمانی که به عنوان نانوذرات بلعیده یا استنشاق نشود، بسیار ایمن است. هنگامی که به عنوان رنگدانه و یا تقویت کننده‌ی رنگ به محصولات آرایشی و بهداشتی اضافه می‌شود، بی‌اثر و پایدار است. هنگامی که از این طریق استفاده می‌شود یعنی به صورت موضعی برای پوست کاملا بی‌خطر است. زیرا می‌توان آن را به راحتی شستشو داد و به راحتی توسط پوست جذب نمی‌شود. نانو ذرات TiO۲ توانایی نفوذ یا آسیب به پوست را ندارند. این ترکیبات شیمیایی را فقط در لایه شاخی و اپیدرم پوست می‌توان یافت. 

• دی‌اکسید تیتانیوم در لوازم آرایشی چه عملکردی دارد؟

این ترکیب به عنوان رنگدانه در اکثر محصولات آرایشی از جمله رژگونه، پرایمر صورت، پودرها، کرم پایه، هایلایت، براق کننده لب، ریمل و کانسیلر استفاده می‌شود. این ترکیبات شیمیایی به دلیل ظاهر مات و براق خود در این نوع محصولات استفاده می‌شوند و اجازه می‌دهد آرایش در پوشش‌های نازک اعمال شود زیرا رنگدانه‌ها بهتر عمل خواهند کرد.

نتیجه‌گیری

ما در این مقاله بررسی کردیم که گریدهای اکسید تیتانیوم چیست و هر گرید چه کاربردی دارد. این ماده به دو روش کلرید و سولفات تولید می‌شود و کاربرد گسترده‌ای در صنایع دارویی، رنگ و پوشش، غذایی، آرایشی و بهداشتی و ... دارد. درمورد مصرف این ماده نگرانی‌هایی وجود دارد؛ اما سازمان غذا و دارو این ماده را تایید کرده است.