تیتان

دی اکسید تیتانیوم

دی اکسید تیتانیوم (Titanium Dioxide) یا به بیانی دیگر تیتانیا با فرمول شیمیایی TiO2 با وزن مخصوص 4.2-3.9، نقطه ذوب 1854 درجه سانتی گراد و سختی 6.5-5.5 است. دی اکسید تیتانیوم در آب و اسیدهای آلی و محلول های رقیق قلیایی حل نمی گردد، اما در اسید سولفوریک گرم و HF حل می شود. دی اکسید تیتانیوم در سه شکل ساختمانی آناتاز (تتراگونال)، روتیل (مکعبی) و بروکیت (ارتورمبیک) قابل متبلور شدن می باشد. دی اکسید تیتانیوم به صورت سنگ های ایلمینیت (FeTiO3)، پروسکایت (CaTiO3) و تیتانیت ایلمینوروتیل و به صورت نادرتر به شکل روتیل در منابع معدنی یافت گردد.

دی اکسید تیتانیوم به سبب کریستالیزه شدن در هنگام پخت لعاب و اپک کردن آن (رنگدانه سفید)، تنظیم و پایدار کردن لعاب، افزایش قدرت پوشانندگی و ایفای نقش کاتالیست در افزایش سرعت واکنش ها استفاده بسیار گسترده ای در صنایع، ساخت انواع رنگدانه ها و لعاب سازی دارد. به جهت داشتن ضریب شکست بالا (2.76 – 2.52) و افزایش ضریب شکست شیشه ها در ساخت انواع شیشه های اپتیکی از آن استفاده می گردد. در صنایع لاستیک سازی، کاغذ سازی، سرامیک و مواد آرایشی و دارویی همچون خمیر دندان، پماد و پودر به عنوان پر کننده عمل می نماد. به سبب استحکام و مقاومت به خوردگی بالای دی اکسید تیتانیوم به عنوان پوشش بر روی سطوح مصنوعات فلزی به خصوص در بدنه سفینه های فضایی مورد استفاده قرار می گیرد. از دی اکسید تیتانیوم تک کریستال به عنوان الماس مصنوعی استفاده شده با این تفاوت که به راحتی قابلیت تراش دارد.

از کاربردهای الکتریکی دی اکسید تیتانیوم می توان به مواردی چون روپوش الکترودهای جوشکاری، الکترود لامپ های قوسی و به عنوان دی الکتریک در خازن ها به جهت داشتن ثابت دی الکتریک بالا 173 در جهت موازی با محور تک بلور و 89 در جهت عمود بر آن اشاره کرد.

چنانچه پخت بدنه های دی اکسید تیتانیوم به کمک گدازآورهایی مانند: SiO2، BeO، MgO و BaCO3 در شرایط احیایی انجام گیرد جاهای خالی اکسیژنی در داخل ساختار شکل می گیرد که رنگ آن تیره و هدایت الکتریکی را افزایش می دهد و آن را به عنوان یک نیمه هادی مطرح می نماید. به طوری که با حرارت دادن آن در دمای 600 درجه سانتی گراد در اتمسفر هیدروژن به مدت 5 دقیقه ضریب هدایت از 12- 10 به 5-10 در واحد (bold capital (omega cm-1 افزایش می یابد. به طور کلی رابطه غیر استوکیومتری اکسید تیتانیوم به صورت TiO2-x هست که هر قدر x بزرگتر باشد رسانایی افزایش می یابد به طوری که رسانایی TiO مشابه فلزات است. TiO از احیای TiO2 به وسیله منیزیم در دمای 600 درجه سانتیگراد در اتمسفر آرگون و یا هیدروژن حاصل می گردد. اکسید تیتانیوم با افزایش دما نیز اکسیژن از دست داده و یون های تیتانیوم در جاهای خالی اکتاهدرال بین نشین می گردند و هدایت الکتریکی به طور محسوسی بالا رفته و نیمه هادی از نوع n حاصل می شود.

Tio2

Tio2

یکی از موارد مهم استفاده دی اکسید تیتانیوم در تهیه سنسورهای اکسیژنی هست. هدایت الکتریکی دی اکسید تیتانیوم با کاهش فشار اکسیژن افزایش می یابد به طوری که به ازای کاهش فشار اکسیژن از 1 به 0.1 اتمسفر هدایت الکتریکی تا 10 برابر افزایش می یابد. این حساسیت قابل توجه دی اکسید تیتانیوم به فشار اکسیژن آن را به عنوان یک سنسور اکسیژنی مطرح کرده است. ترکیب غیر استوکیومتری TiO3 به صورت TiO2-x نشان داده می شود که به مفهوم جاهای خالی اکسیژن و یا بین نشین های تیتانیوم در شبکه کریستالی می باشد. وجود عیوب چون جاهای خالی و بین نشین ها منشا ایجاد الکترون بوده و غلظت الکترون ها متناسب با PO2 -1.5 می باشد. مطابق روابط ترمودینامیکی و سینتیکی تشکیل جاهای خالی برای TiO2 آسانتر از تشکیل بین نشین های تیتانیوم است. معمولا دی اکسید تیتانیوم پلی کریستال متخلخل به دلیل افزایش سطح موثر برخورد با گاز و کاهش مقطع عرضی موثر زمان پاسخگویی کوتاهتری از خود نشان می دهد. از آنجایی که هدایت الکتریکی دی اکسید تیتانیوم به طور اکسپونانسیلی با PO2 و دما تغییر می نماید نحوه عملکرد حساسیت سنسورهای ساخته شده از آن نیز با دما تغییر می نماید. یک راه حل مهندسی جهت رفع این مشکل استفاده از یک ترموستات متصل به منبع حرارتی بوده تا بدین وسیله سنسور در یک دمای ثابت نگه داشته شود. این دمای ثابت بالاتر از دماهای گازهای خروجی است.

از آن جهت که مقاومت الکتریکی دی اکسید تیتانیوم در برخورد با یک مخلوط گازی تغییر می کند بنابراین می تواند به عنوان کنترل کننده آلودگی های گازی در خودروها و کارخانجات صنعتی عمل کند. اکسید تیتانیوم به سبب ارزان بودن و پایداری شیمیایی خوب در محیط های خورنده و داغ می تواند سنسور یا حسگر خوبی در برابر گازهایی چون اکسیژن، NO2، CO، اتانول، متانول و غیره باشد. پایداری ساختار، اندازه دانه ها، درصد تخلخل، مواد افزودنی و … از عواملی است که بر روی درجه حسگری آن تاثیر می گذارند. به عنوان مثال با کاهش اندازه ذرات این خاصیت افزایش یافته و امروزه حسگرهای نانو به بازار مصرف آمده اند. مواد مختلفی نظیر Cu، V، Mo، Nb، Pt، Si، Cr، Ta به دی اکسید تیتانیوم اضافه شده تا بعضی اثرات مورد نظر را ایجاد نمایند چنانکه کروم، تانتال، نایوبیم، تنگستن مانع استحاله فازی آناتاز به روتیل شده و مانع رشد دانه در ضمن عملیات حرارتی می گردد. معمولا سنسورهای لایه نازک دمای کاری 400-200 درجه سانتی گراد را دارند در حالی که از نوع حجیم تر قابلیت عمل در دماهای بین 1000-600 درجه سانتی گراد را دارند. کاهش ضخامت حساسیت تبدیل فازی افزایش می یابد و نمی توان سنسور را در دماهای بالا به کار برد.

در عمل برای ساخت سنسورهای از نوع اکسید تیتانیوم یک فیلم نازک از دی اکسید تیتانیوم بر روی یک زمینه سرامیکی به عنوان زیر لایه مانند آلومینا قرار می گیرد و دو الکترود پلاتینی تغییر مقاومت این لایه نازک را اندازه می گیرند. ایجاد فیلم نازک دی اکسید تیتانیوم به کمک روش های رسوب فیزیکی از فاز بخار (PVD)، رسوب شیمیایی از فاز بخار (CVD)، سل – ژل، غوطه وری و کاشت یونی انجام می گیرد. اما روش سل ژل به دلیل سادگی فرآیند، نیاز به تجهیزات کم، هزینه پایین، ایجاد سطح ویژه بالا، کنترل ریز ساختار و قابلیت رشد فیلم بر روی تمام سطوح زیر لایه از متداول ترین آن ها است. در روش سل ژل از ترکیباتی چون بوتوکسید تیتانیوم یا ایزوپروپکساید تیتانیوم به عنوان حامل یا پیش ماده تیتانیوم، از دو پروپانول یا n-بوتانول به عنوان حلال، از اسید استیک، اسید کلریدریک و استیل استون به عنوان پایدار کننده استفاده می گردد. زیر لایه از جنس آلومینا، یاقوت و شیشه و یا ویفر سیلیکونی بوده که به خوبی آلودگی زدایی شده و وارد محلول سل – ژل می شود. با هیدرولیز ترکیبات آلی – فلزی یک لایه نازک از هیدروکسید تیتانیوم سطح مورد نظر را می پوشاند. با عملیات خشک کردن در دمای 110-170 درجه سانتی گراد حلال تبخیر شده و با عملیات حرارتی نهایی در 400-900 درجه سانتی گراد به مدت حدود یک ساعت هیدروکسیدها تجزیه شده و فازهای آناتاز، روتیل و بروکیت شکل می گیرند. فرآیند تکرار می شود تا ضخامت مورد نظر بدست آید.

دی اکسید تیتانیوم به دلیل عدم ایجاد الکتریسیته ساکن و مقاومت به سایش بالا و اصطکاک سطحی کم به عنوان هدایت کننده الیاف نساجی مورد استفاده قرار گرفته به طوری که نخ را با سرعت 50 متر بر ثانیه هدایت می کند. روتیل جهت هدایت نخ های از جنس الیاف ریون، نایلون، ابریشم، کنف، شیشه و الیاف کتانی استفاده می شود. به علت چقرمگی پایین کمتر در کاربردهای سازه ای از آن استفاده می گردد.

سنتز پودر دی اکسید تیتانیوم

ماسه های بادی و ساحلی به نام روتیل با 90 تا 98 درصد TiO2، ایلیمنیت Mg, Mn, Fe)TiO3) با عیار 43 تا 61 درصد اکسید تیتانیوم، سرباره های تیتان – آهن با 70 تا 85 درصد TiO2 و روتیل مصنوعی با 85 تا 90 درصد TiO2 مهم ترین منابع معدنی و صنعتی دی اکسید تیتانیوم محسوب می شوند. برای تهیه دی اکسید تیتانیوم خالص ابتدا منابع معدنی در دماهای بین 950 تا 1150 درجه سانتی گراد تکلیس شده تا آناتاز موجود در آن ها به روتیل تبدیل شوند.

  • کلریناسیون

در روشی دیگر مخلوط منابع معدنی دی اکسید تیتانیوم و کک در دماهای حدود 160 تا 175 درجه سانتی گراد مورد کلراسیون قرار گرفته به طوری که بخار تتراکلرید تیتانیوم شکل می گیرد که با اکسیداسیون آن در یک اتمسفر اکسیژنی TiO2 تشکیل می شود:

دی اکسید تیتانیوم، تیتانیا، Tio2

TiO2 (روتیل) + C+Cl2 = TiCl6 +CO2+ CO       900-1000oC

TiCl6+ O2+N2 = TiO2+2Cl2+N2                          1000oC

در عمل مخلوط مواد اولیه بعد از آسیا شدن تا حد 2 تا 10 میلی متر وارد یک راکتور شده و با گاز کلر در دمای 160 تا 175 درجه سانتی گراد مورد واکنش قرار می گیرد. کلر با اکسیدهای آهن و تیتانیوم واکنش داده و ترکیبات کلرید آهن و تیتانیوم به شکل گازی از انتهای تیوب خارج شده و به داخل یک بالن شیشه ای با دمای 4- درجه سانتی گراد هدایت می گردد. به طوری که با میعان یافتن بخارات، مایع سیاه رنگی از کلریدهای آهن و تیتانیوم شکل می گیرد. با عملیات تقطیر جزء به جزء کلرید تیتانیوم که نقطه جوش پایین تری دارد از کلرید آهن جدا می شود. ناخالصی های باقی مانده از قبیل سیلیسیم، وانادیم، زیرکونیم، نقره و … توسط شستشو با اولئوم (اسید سولفوریک دود کننده) حذف می شوند. با اضافه کردن آب و الکل اتیلیک به کلرید تیتانیوم هیدرولیز کامل صورت گرفته و حالت ژله ای مانند شکل می گیرد. ژل حاصله را کلسینه نموده تا اکسید تیتانیوم حاصل شود. می توان از اکسیداسیون TiCl4 توسط اکسیژن خشک در 650 تا 700 درجه سانتی گراد اکسید تیتانیوم با خلوص بالا رسید که عموما به شکل روتیل است.

  • روش سولفاتی

در این حالت معمولا مواد به شکل ایلمنیت به صورت کاملا ریز آسیاب گردیده و در اسید سولفوریک غلیظ حل می شود 150-200 درجه سانتی گراد به طوری که سولفات آهن و تیتانیوم شکل می گیرد. با افزایش قراضه یا براده آهن یون های آهن 3 به 2 تبدیل می شود. با تبخیر محلول و سرد نمودن بعدی مقادیر زیادی سولفات آهن 2 متبلور می شود (FeSO4.7H2O). بعد از عمل فیلتراسیون محلول مجددا به کمک بخار آب تا دمای بین 95 تا 110 درجه سانتی گرم شده تا اینکه سولفات تیتانیوم به دی اکسید تیتانیوم هیدراته هیدرولیز شده و رسوب نماید. می توان با افزایش پودر اکسید تیتانیوم خالص به عنوان جوانه زا سرعت رسوب دهی را افزایش داد. با فرآیند تکلیس در دماهای بین 800 تا 1000 درجه سانتی گراد اکسید تیتانیوم شکل گرفته. لازم به ذکر است که کانی روتیل در اسید سولفوریک قابل حل نیست لذا برای تخلیص آن باید به روش دیگری عمل نمود.

منبع:ویکی پی جی

دسامبر 27, 2015
دی اکسید تیتانیوم

دی اکسید تیتانیوم

دی اکسید تیتانیوم دی اکسید تیتانیوم (Titanium Dioxide) یا به بیانی دیگر تیتانیا با فرمول شیمیایی TiO2 با وزن مخصوص 4.2-3.9، نقطه ذوب 1854 درجه سانتی […]
آگوست 13, 2015
دی اکسید تیتانیوم چیست

دی اکسید تیتانیوم چیست

دی اکسید تیتانیوم چیست؟ دی اکسید تیتانیوم (TiO2) به زبان انگلیسی Titanium Dioxide  که به آن تیتانیا هم گفته می شود، یک ماده غیر آلی جامد سفیدرنگی است که در برابر […]
<\/body>