I. Introduzione
Biossido di titanio (TiO₂)è un pigmento bianco inorganico il cui componente principale è il biossido di titanio. In base alla sua struttura cristallina, il TiO₂ può essere classificato nei tipi anatasio, brookite e rutilo. Grazie al suo elevato indice di rifrazione, al forte potere colorante, all'eccellente punto di bianco, alla non-tossicità e alla buona stabilità, il biossido di titanio è ampiamente utilizzato nei rivestimenti, nella plastica, nella fabbricazione della carta e negli inchiostri, tra i quali l'industria dei rivestimenti rappresenta il consumo maggiore-circa il 60%.
Sia nei rivestimenti a base di solvente-che a base di acqua-, il TiO₂ fornisce non solo potere coprente ed effetti decorativi, ma migliora anche significativamente le proprietà fisiche e chimiche dei rivestimenti. Migliora la stabilità chimica, il potere coprente, la forza colorante, la resistenza alla corrosione, la resistenza alla luce e agli agenti atmosferici; aumenta la resistenza meccanica e l'adesione del film; previene le screpolature; e blocca i raggi UV e la penetrazione dell'umidità-ritardando l'invecchiamento e prolungando la durata del rivestimento. Può anche ridurre il consumo di materiali e supportare la diversificazione dei prodotti.
II. Influenza della dimensione delle particelle di biossido di titanio sul potere coprente del rivestimento
Le variazioni nella forma e nella dimensione delle particelle di TiO₂ influiscono notevolmente sul grado di diffusione della luce e sono fattori chiave che influenzano il potere coprente. La ricerca mostra che in condizioni identiche, quando la dimensione delle particelle di TiO₂ è compresa tra160–350 nm-circa0,4–0,5 volte la lunghezza d'onda della luce visibile-la capacità di dispersione è massima e migliora direttamente le prestazioni di copertura del rivestimento.
Se i materiali filmogeni-non riescono a rivestire completamente le particelle di TiO₂, possono verificarsi contatto e agglomerazione delle particelle, con conseguente aumento delle dimensioni delle particelle e riduzione del potere coprente.
III. Influenza della disperdibilità del biossido di titanio sul potere coprente del rivestimento
Nel settore dei rivestimenti, il grado di dispersione delle particelle di polvere determina in gran parte le prestazioni del prodotto. Durante la produzione, la dispersione del TiO₂ prevede la bagnatura, la macinazione e la dispersione.
Una sospensione stabile di TiO₂ migliora il potere coprente, ma a causa dell'attività e della sensibilità del TiO₂ all'ambiente della formulazione, possono verificarsi problemi quali flocculazione, sedimentazione e instabilità. Pertanto, la qualità della dispersione influisce in modo significativo sul potere coprente.
IV. Influenza del dosaggio del disperdente sul potere coprente del rivestimento
Poiché le particelle di TiO₂ sono più piccole della maggior parte dei riempitivi e tendono ad aggregarsi, la scelta e il dosaggio dei disperdenti influenzano fortemente la dispersione del TiO₂ e quindi il potere coprente del rivestimento. Gli studi dimostrano che all'aumentare del dosaggio del disperdente, la dispersione del pigmento/riempitivo migliora, la distribuzione delle dimensioni delle particelle si restringe e la dimensione effettiva delle particelle diminuisce-con conseguente maggiore potere coprente.
V. Percorsi di sviluppo sostenibile per il biossido di titanio nei rivestimenti
Essendo un pigmento altamente efficiente nella diffusione della luce-, il TiO₂ offre un bianco e un potere coprente eccellenti. Con la rapida crescita dei settori automobilistico, edile e dei rivestimenti-a base acqua, la domanda globale continua ad aumentare.
Tuttavia, le sfide legate al consumo di risorse, all’uso dell’energia e all’impatto ambientale si sono intensificate. Migliorare la sostenibilità dell’industria del TiO₂ è diventato urgente.
Oltre a sviluppare nuove tecnologie di produzione, i produttori di rivestimenti devono esplorare modi per migliorare l’efficienza di utilizzo del TiO₂ o identificare sostituti per ridurre i consumi.
1. Miglioramento dell'efficienza di utilizzo del biossido di titanio
Nelle applicazioni pratiche, l'agglomerazione e la flocculazione del TiO₂ possono impedire un potere coprente ottimale anche con un elevato contenuto di pigmenti. Pertanto, migliorare l’efficienza della diffusione della luce è diventato un obiettivo chiave della ricerca.
Michael ha utilizzato simulazioni Monte Carlo per dimostrare che la sostituzione dei riempitivi grossolani con riempitivi fini aumenta la spaziatura tra le particelle di TiO₂, migliorando la occultabilità attraverso uneffetto "spaziatura dei pigmenti" o "diluizione dei pigmenti".. I riempitivi più piccoli separano meglio le particelle di TiO₂, migliorando l'efficienza di dispersione e riducendo la quantità di TiO₂ necessaria per un occultamento equivalente.
Tuttavia, le particelle di TiO₂ distanziate hanno ancora la tendenza a ri-agglomerarsi.
Nel 2013,Dow Chemicalha ricevuto il Presidential Green Chemistry Challenge Award per lo sviluppoTecnologia dei polimeri precompositi EVOQUE™-. Questi polimeri si legano alle superfici di TiO₂, fornendo una spaziatura che migliora la distribuzione delle particelle e l'efficienza di diffusione. Ciò migliora il potere coprente e riduce il contenuto di TiO₂ fino a20%, riducendo i costi mantenendo o migliorando le prestazioni. La tecnologia migliora inoltre la resistenza alle macchie e alla corrosione, riduce il consumo di energia e-secondo la LCA indipendente-riduce le emissioni di carbonio dioltre il 22%e l'utilizzo dell'acqua da parte di30%.
Nel 1997,Virtanenha introdotto la tecnologia di "pre-incapsulamento" del TiO₂, creando pigmenti del nucleo-del guscio con nuclei di TiO₂ e gusci di carbonato di calcio. Il guscio fornisce spaziatura, migliorando la dispersione e riducendo l'impronta di carbonio di circa il 70%. FP Pigments ha commercializzato questa tecnologia.
Allo stesso modo, Chemours ha sviluppato un grado di TiO₂ trattato,TS-6300, che presenta un trattamento superficiale migliorato che aumenta la spaziatura delle particelle e riduce l'agglomerazione. Il suo maggiore assorbimento di olio riduce il CPVC, consentendo ai vuoti d'aria nella pellicola di migliorare ulteriormente la diffusione della luce.
2. Presentazione dell'aria
L'aria nella pellicola di rivestimento riduce l'indice di rifrazione della miscela resina/aria, aumentando il contrasto dell'indice di rifrazione con TiO₂ e migliorando la diffusione della luce. Tre tipi di vuoti d'aria contribuiscono al potere coprente:
- Aria all'interno della resina
- Aria all'interno delle particelle del riempitivo
- Aria all'interfaccia pigmento-resina
Un classico esempio sono le microsfere polimeriche cave, sviluppate per la prima volta nel 1984 da Kowalski e commercializzate da Rohm and Haas comeROPAQUE™. Durante l'asciugatura l'acqua all'interno delle microsfere evapora e viene sostituita dall'aria, favorendo la copertura asciutta.
Quando il TiO₂ viene parzialmente sostituito con microsfere cave, l'iniziale copertura a umido può diminuire, ma la copertura a secco migliora fino al livello dei rivestimenti contenenti solo TiO₂-. Le microsfere migliorano inoltre la resistenza alle macchie, la lavabilità e la ritenzione del colore esterno.
Allo stesso modo, il caolino calcinato microporoso di Omya contiene vuoti d'aria chiusi. Prodotte attraverso una rapida calcinazione, le particelle si espandono internamente a causa della pressione del vapore, formando pori chiusi che migliorano la copertura sia a umido che a secco. Fino a20%La riduzione del TiO₂ è realizzabile.
I confronti mostrano:
- Il caolino microporoso e le microsfere cave aumentano notevolmente la capacità di nascondersi.
- Il caolino microporoso tende a creare effetti opachi.
- Le microsfere aumentano la brillantezza.
Al di sopra del CPVC, il caolino microporoso offre prestazioni ancora migliori, poiché sia i vuoti interni che quelli esterni contribuiscono a nascondersi mantenendo un basso assorbimento di olio e una buona resistenza allo sfregamento.
Nguyen et al. nanostrutture "sandwich" polimero-TiO₂ ulteriormente sviluppate, che combinano TiO₂, vuoti d'aria e spaziatura dei polimeri per fornire molteplici percorsi di diffusione.
In sintesi, il miglioramento della dispersione del TiO₂, la riduzione al minimo dell'agglomerazione e l'introduzione di strutture basate sull'aria- possono aumentare significativamente il potere coprente, consentire la sostituzione parziale del TiO₂, ridurre le emissioni di carbonio e supportare lo sviluppo sostenibile del TiO₂.
VI. Applicazioni del biossido di titanio
Il TiO₂ è ampiamente utilizzato in rivestimenti, plastica, gomma, inchiostri, carta, fibre chimiche, ceramica, prodotti chimici di uso quotidiano, prodotti farmaceutici e prodotti alimentari.
Rivestimenti
L'industria dei rivestimenti è il maggiore utente finale-, in particolare per il TiO₂ rutilico. I rivestimenti contenenti TiO₂ offrono colori brillanti, forte potere coprente e colorante, migliore resistenza e adesione della pellicola, resistenza ai raggi UV e all'umidità e maggiore durata.
Plastica
L'industria della plastica è il secondo-consumatore. TiO₂ migliora la resistenza al calore, la solidità alla luce, la resistenza agli agenti atmosferici, la resistenza meccanica e la durata dei prodotti in plastica.
Fabbricazione della carta
La fabbricazione della carta è la terza-applicazione più grande. TiO₂ migliora il bianco, la brillantezza, la resistenza, la levigatezza e l'opacità. Anatase TiO₂ è comunemente usato per il suo sottotono bluastro e l'effetto schiarente. Le carte laminate richiedono TiO₂ rutilico per una migliore resistenza al calore e alla luce.
Inchiostri
TiO₂ è un pigmento bianco essenziale negli inchiostri di alta-gradazione, che offre durata, bagnabilità e disperdibilità eccellenti.
Fibre e Tessili
Il TiO₂ viene utilizzato come delustrante nelle fibre chimiche, solitamente sotto forma di anatasio per la sua morbidezza. Alcuni gradi richiedono un trattamento superficiale per ridurre la degradazione fotocatalitica delle fibre.
Industria dello smalto
Il TiO₂ di-smalto ad elevata purezza-fornisce forte opacità, dimensione uniforme delle particelle, elevato indice di rifrazione, eccellente punto di bianco e buona resistenza agli acidi-producendo rivestimenti di smalto lisci, sottili e durevoli.
Ceramica
Il TiO₂ di grado ceramico- presenta dimensioni delle particelle uniformi, un elevato indice di rifrazione e un'eccellente stabilità termica (resiste a 1200 gradi per 1 ora senza ingrigire). È ampiamente usato in ceramica, costruzione e materiali decorativi.
L'industria cinese del TiO₂ è iniziata a metà degli anni '50. Oggi la Cina rappresenta30% della capacità globale di TiO₂ed è sia il più grande produttore che consumatore del mondo. Dal 1999 al 2011, il consumo cinese di TiO₂ è cresciuto da 248.000 tonnellate a 1,65 milioni di tonnellate-con un CAGR del 17,11%.
La Cina conta attualmente oltre 50 produttori di TiO₂, molti dei quali nella regione orientale nonostante le risorse limitate di materie prime. Nel frattempo, le risorse di minerale di titanio si trovano principalmente nel sud-ovest. Il settore rimane relativamente frammentato. La produzione cinese di TiO₂ è passata dall'anatasio da processo prevalentemente solfato- a quello rutilico, che ora rappresenta oltre il 70% della produzione. Tuttavia, il TiO₂ di fascia alta-fa ancora molto affidamento sulle importazioni.
La produzione nazionale di TiO₂ clorurato rimane molto limitata a circa 30.000 tonnellate, sebbene diverse aziende pianifichino di espandere la capacità di clorazione a oltre 600.000 tonnellate. Questo periodo rappresenta una fase critica per l'aggiornamento della struttura del prodotto, il miglioramento della tecnologia e l'adozione di processi avanzati.
VII. Conclusione
Con le crescenti pressioni ambientali e la crescente consapevolezza della sostenibilità, il settore del TiO₂-caratterizzato da un elevato inquinamento e un elevato consumo di energia-affronta sfide significative. Essendo un pigmento bianco essenziale nei rivestimenti, il miglioramento dell’efficienza di utilizzo del TiO₂, la riduzione dei consumi e lo sviluppo di materiali alternativi rappresentano passi cruciali verso lo sviluppo sostenibile.