Свойства, технология производства и применение диоксида титана

Неорганические пигменты и наполнители являются одним из основных компонентов различных композиционных материалов, нашедших широкое распространение в технике: лакокрасочных материалов, полимерных композитов, бумаги, бетона и т. д.

По масштабам производства и применения в лакокрасочных материалах белые пигменты занимают первое место. Белые пигменты необходимы не только для изготовления пигментированных лакокрасочных материалов белого цвета, но и всех цветных красок светлых тонов. Белые пигменты широко применяются также в производстве пластмасс, химических волокон, резины, бумаги, полиграфических красок, строительных материалов, керамики, неорганических глазурей и эмалей, косметических и других изделий.

Из большого числа неорганических веществ белого цвета в качестве пигментов нашли практическое применение лишь немногие технические продукты, отвечающие определенному комплексу физических, экономических и санитарно-технических требований. Одним из них является диоксид титана.

Цель данной курсовой работы: дать обширную информацию о химическом составе, кристаллической структуре, химических, физических и технических свойствах диоксида титана, его применении, методах получения и марочном ассортименте. Особое внимание уделяется оптическим свойствам, которые определяют область применения этого пигмента.

Минеральными источниками для производства диоксида титана обычно служат титансодержащие руды: рутилы, ильмениты и люкоксены (в русской транскрипции — лейкоксены). Наиболее богатыми являются рутилы (rutile): в них содержится от 93 до 96% двуокиси титана (TiO2), в ильменитах (ilmenite) — от 44 до 70%, а концентраты люкоксенов (leucoxene) могут содержать до 90% TiO2.

В мире выявлено более 300 месторождений титановых минералов, в т. ч. магматических — 70, латеритных — 10, россыпных — более 230.

Наиболее высококачественным сырьем для производства пигментного диоксида титана являются рутил и анатаз, содержащие соответственно 92–98 и 90–95% диоксида титана. В отличие от ильменита (43–53% TiO2) они не требуют предварительного обогащения путем передела в промежуточные продукты. Мировые (без России) подтвержденные запасы диоксида титана составляют около 800 млн. тонн. Основными источниками получения диоксида титана являются ильменитовый концентрат и природный рутил. [1]

Несмотря на более высокую стоимость диоксида титана, в расчете на готовый продукт — готовое лакокрасочное покрытие, этот пигмент оказывается экономичнее других. Диоксид титана обеспечивает длительный срок службы покрытий в атмосферных условиях, в то время как цинковые белила и литопон долговечны только в покрытиях, применяемых внутри помещений.

В числе его преимуществ: нетоксичность, высокие оптические характеристики (способность к рассеиванию света), доступность, химическая инертность, атмосферостойкость и др.

Перспективным направлением 21 века является нанотехнология — область знаний о фундаментальных свойствах в нанометровом масштабе. В настоящее время нанотехнология используется для получения диоксида титана, наночастицы которого не отражают видимый свет, а являются прозрачными в связующем. В их присутствии агрессивные лучи солнца не наносят ущерба. На основе наночастиц диоксида титана было получено новое поколение эффективных препаратов для защиты от солнечных лучей.

Выпуск диоксида титана растет с каждым годом, причем уровень его производства гораздо выше уровня производства металлического титана.

Диоксида титана очень ценный материал для основных областей производства как непродовольственных товаров, так и некоторых продовольственных, поэтому детальная информация о нем и стала предметом данной работы.

1 Краткие исторические сведения о диоксиде титана

В 1789 г. Марк-Грегором было открыто соединение неизвестного ранее элемента, названного в 1795 г. Клапротом титаном. В течение целого столетия титан и его соединения не находили промышленного применения, хотя было открыто много месторождений титановых руд. Только в 1908 г. В Норвегии были разработаны первые методы промышленного их использования.

Титан образует с кислородом различные окислы: TiO, Ti2O3, TiO2, Ti3O4, Ti3O5, TiO3 и др. В качестве пигмента используется двуокись титана TiO2, называемая титановыми белилами или пигментной двуокисью титана.

Первый завод по изготовлению титановых белил мощностью 1000 т в год был построен в 1916 г. В Норвегии. В 1940 г. мировое производство двуокиси титана (анатаза) не превышало 100000 т.

...

2 Основные свойства диоксида титана

Диоксид титана (двуокись титана) Ti02 полиморфен, он кристаллизуется в двух сингониях: 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 октаэдр приходится 4 общих ребра, в рутиле только 2. Элементарная ячейка анатаза состоит из четырех молекул, а рутила только из двух:

...

2.1 Физические свойства диоксида титана

Чистый диоксид титана – это белый порошок, который при нагревании желтеет. Когда же он остывает, к нему вновь возвращается чистый белый цвет. Ti02 практически не поглощает никакого падающего света в видимой области спектра. Свет или передается, или преломляется через кристалл или же отражается на поверхностях.

...

Таблица 2.1 - Физические свойства диоксида титана

...

2.2 Химические свойства диоксида титана

Диоксид титана химически инертен. Это вещество — самое стабильное среди химических соединений, обладающих красящими свойствами. Диоксид титана является амфотерным оксидом, то есть проявляет как кислотные, так и основные свойства. Диоксид титана не растворяется в воде и разбавленных минеральных кислотах (кроме плавиковой) и разбавленных растворах щелочей.

...

2.3 Оптические свойства

Основные оптические свойства: укрывистость, разбеливающая и рассеивающая способности, оттенок и цвет.

Рассеивающая способность – способность пигмента к отражению света видимой части спектра определенных длин волн. Этот показатель у диоксида титана напрямую зависит от диаметра частиц Ti02. При размере частиц 0,2 мкм сумма рассеянного света для всех длин волн максимальна. При увеличении размера частицы от 0,25 до 0,3 мкм рассеивание голубого света быстро понижается. Но рассеивание зеленого и красного практически не меняется. Тем не менее, при диаметре частиц 0,15 мкм наблюдается максимальное рассеивание синего, в то время, как рассеивание красного и зеленого значительно ниже.

...

Таблица 2.2 - Эффекты диспергирования

...

2.4 Мероприятия по регулированию свойств

Регулирование размеров частиц, фракционного состава, кристаллического строения и внешней формы кристаллов пигмента осуществляется на стадии осаждения гидроокиси титана и в процессе термообработки. Окись и гидроокись титана могут быть легко превращены при сравнительно низкой температуре в рутильную модификацию путем нагревания в присутствии небольших количеств таких соединений, как окись цинка, сульфат алюминия и сульфат магния.

...

Таблица 2.3 – Физико-химические показатели диоксида титана

...

3.1 Сырье, для получения диоксида титана

Для переработки в пигментный диоксид титана используются минералы: природный рутил, содержащий 92-95 %(масс.) TiO2 и примесь Fe2O3, придающую ему красный цвет (рутил красный); ильменит FeO·TiO2 или измененный ильменит—арканзит Fe2O3·3TiO2; титаномагнетиты, состоящие из зерен ильменита и магнетита и содержащие 8-12 %(масс.) TiO2. и анатаз.

...

3.2 Основные методы производства диоксида титана

В зависимости от специфики строения кристаллической решетки диоксид титана в природе встречается в нескольких модификациях: кубическая сингония (рутил), тетрагональная сингония (анатаз) и реже – ромбическая сингония (брукит). Рутильный пигмент может изготавливаться любым способом, в то время как анатазный пигмент может изготавливаться только сульфатным способом.

...

4.1 Использование диоксида титана в лакокрасочных материалах

Вследствие очень высокой белизны тонкодисперсного диоксида титана он нашел широкое применение в качестве белого пигмента в лакокрасочной промышленности. В далеком прошлом остались краски, приготовляемые с использованием цинковых или свинецсодержащих белых пигментов.

Итак, основной функцией диоксида титана в красках является придание им белого цвета. Есть, однако, у двуокиси титана TiO2 и конкуренты в этом отношении. Это, прежде всего, мел и мраморный кальцит (CaCO3). Оба этих пигмента тоже имеют белый цвет и по цене более доступны, чем диоксид титана. Именно поэтому большинство красок содержит не один пигмент, а их смесь.

...

5 Мировая структура производства диоксида титана

Крупнейшим продуцентом пигментного диоксида титана является компания E.I. du Pont de Nemours & Co. Inc. (DuPont). За последние 10 лет ее доля увеличилась с 22 до 24% от объемов мирового производства этого продукта. Компания владеет заводами в США (3 завода), Мексике и Тайване суммарной мощностью 1000 тыс. т/год, которые работают по хлоридной технологии. Рассматривалась возможность строительства в Европе завода по выпуску диоксида титана мощностью 120–150 тыс. т/год, однако руководство компании пришло к выводу о неэкономичности такого строительства. По мнению DuPont, новые заводы целесообразнее строить в Китае.

...

Таблица 5.1 - Распределение производственных мощностей по регионам, странам, предприятиям

...

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения курсовой работы на тему: «Диоксид титана как сырье, его производство и основные свойства» можно сделать следующие выводы:

Диоксид титана сегодня — это самый востребованный в мире пигмент. Достаточно только упомянуть, что из трех килограммов производимых в мире пигментов два приходятся на диоксид титана.

Благодаря своей способности рассеивать видимый свет лучше, чем любой из известных в настоящее время белых пигментов, он обеспечивает укрывистость и придает покрытию высокую белизну, блеск и яркость.

...