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 حرارت پایدار ، غیر قابل اشتعال و دارای قابلیت انحلال ضعیف است و با توجه به سیستم طبقه بندی و علامت گذاری مواد شیمیایی هماهنگ جهانی(GHS) ملل متحد (UN) جزء مواد خطرناک طبقه بندی نمی شود. دی اکسید تیتانیوم ، اکسید تیتانیوم فلزی ، به طور طبیعی در چند نوع سنگ و شن و ماسه معدنی به وجود می آید. تیتانیوم نهمین عنصر رایج در پوسته زمین محسوب می شود. تیتانیوم دی اکسید معمولاً از لحاظ شیمیایی ، خنثی تلقی می شود.

چه محصولاتی حاوی دی اکسید تیتانیوم هستند ؟

دی اکسید تیتانیوم سال ها ( حدود 90 سال) در محدوده وسیعی از کالاهای صنعتی و مصرفی از جمله رنگ ها ، پوشش ها ، چسب ها ، کاغذ و مقوا ، پلاستیک و لاستیک ، جوهرهای چاپ ، پارچه های پوشش داده شده و منسوجات ، سیستم های کاتالیست ، سرامیک ، کف پوش ها ، مواد سقف سازی ، لوازم آرایشی و دارویی ، عوامل تصفیه آب ، رنگ های خوراکی و در صنایع خودرو سازی و … به کار رفته اند.

تفاوت های بین دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک رنگدانه و به عنوان یک ماده نانو ( نانو دی اکسید تیتانیوم) چیست؟

گرید رنگدانه تیتانیوم دی اکسید جهت بهبود پراکندگی نور مرئی و در نتیجه بهبود کدری مواد سفید رنگ ساخته می شود. این امر نیازمند این است که اندازه اولیه ذره حدوداً نصف طول موج نوری باشد که پراکنده می شود، یعنی نصف 700-400 نانومتر برای نور قابل رویت.

نانو دی اکسید تیتانیوم (Nano Titanium Dioxide) شفاف هستند و به عنوان جذب کننده های UV یا فتوکاتالیست  موثرتر می باشند. شفافیت و جذب UV کاربرد موثر آن را به عنوان یک جزء حفاظتی برای کرم های ضد آفتاب میسر می سازد.

گرید رنگدانه TiO2 به منظور بالابردن تعداد ذرات اولیه در این محدوده اندازه (حدود 350-200 نانومتر) ساخته می شود. با این حال همانند همه فرآیندهای تولید مواد ذره ای ، پراکندگی اندازه اولیه به اندازه تقریباً مقدار میانگین وجود خواهد داشت و این احتمال وجود دارد که جزء کوچکی از ذرات اولیه کمتر از 100  نانومتر باشند و بنابراین با شناسایی نانوذره  ISO ( سیستم نامگذاری ISO/TC 229 برای ذرات نانو)  پوشش داده می شوند . در عمل ، همه این ذرات تمایل دارند در محدوده اندازه میکرون  (μm) تجمع یافته و به شکل کلوخه شوند.

تیتانیوم دی اکسید به عنوان یک ماده نانو با توجه به اندازه کوچکتر ذرات اولیه و ناحیه سطحی بالاتر ، ساخت کاتالیست های مختلف با فعالیت افزایش یافته را میسر می سازد.

تیتانیوم دی اکسید به عنوان یک ماده نانو جهت دارا بودن ذرات اولیه کمتر از 100 نانومتر به منظور بهینه سازی چنین خصوصیاتی مهندسی شده است.

تیتانیوم دی اکسید به صورت یک ماده نانو به عنوان رنگ دهنده به کار نمی رود چرا که از لحاظ عملکردی متفاوت از ذرات اندازه رنگدانه است و رنگ یا تیرگی به محصول نمی دهد.

ذرات اولیه به وسیله پیوندهای شیمیایی برای تشکیل مواد انباشته (توده) به شدت به یکدیگر می پیوندند یا با هم ترکیب می شوند. این مواد انباشته باز هم از طریق نیروهای جذب کننده واندروالس (Van der Waals) برای تشکیل ذرات در محدوده اندازه میکرون (μm)،انباشته می شوند.

مزایای برگرفته از دی اکسید تیتانیوم چیست؟

تیتانیوم دی اکسید به عنوان رنگدانه دارای خصوصیات بی نظیر پراکنده سازی نور است و در بسیاری از کاربردهایی که نیازمند شفافیت و روشنایی سفیدرنگ هستند مورد استفاده قرار می گیرد.

این ماده نور UV را جذب می کند. هنگامی که رنگدانه TiO2 با یک پلیمر ترکیب می شود ، تجزیه سیستم ( شکنندگی ، محو شدگی و ترک خوردگی) را به حداقل می رساند. عمل آوری سطحی تیتانیوم دی اکسید این خصوصیت را بیشتر بهبود می بخشد.

این تأثیر هنگام استفاده از تیتانیوم دی اکسید در رنگ یا سیستم پوششی، از طول عمر رنگ و حفاظت مداوم ماده اطمینان می دهد.

استفاده از رنگ های روشن برای کاربردهای داخلی ، حس باز بودن و “فضا” را انتقال می دهد. علاوه بر این “درخشش” بالایی که از رنگ های روشن به وجود می آید انرژی مورد نیاز برای روشن ساختن داخل ساختمان ها را درمقایسه با رنگ های تیره کاهش می دهد.

در کاربردهای فضاهای بیرون ساختمان ، سردی انتقال یافته به وسیله سطوح رنگ شده با تیتانیوم دی اکسید منجر به صرفه جویی قابل توجه انرژی گرمایی و ناحیه گرم با انعکاس نور می شود که بدینوسیله نیاز به تهویه هوا را کاهش می دهد.

نانو دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک ماده نانو شفاف به نظر می رسد در حالی که هنوز جذب نور UV  را انجام می دهد. عمل آوری های سطحی ، پراکندگی در واسطه های مختلف و جذب موثر انرژی UV را میسر می سازند ( مثلاً در کاربردهایی مثل کرم های ضد آفتاب و تثبیت سازی نور برای پوشش های چوبی).

این ماده را به صورت عمل آوری نشده می توانیم در تجزیه آلاینده های محیطی به وسیله فتوکاتالیز استفاده کنیم. برای مثال نانو دی اکسید تیتانیوم به صورت یک ماده نانو به عنوان پشتیبان کاتالیست DeNOx در سیستم های گازی اگزوز در اتومبیل ها ، کامیون ها و نیروگاه های برق به کار می رود و از این رو تأثیر محیطی آن ها را به حداقل می رساند.

آیا هیچ گونه نگرانی سلامت در رابطه با تیتانیوم دی اکسید وجود دارد ؟

استفاده از تیتانیوم دی اکسید در جامعه ما رایج است. بیشتر سطوح و آیتم هایی که رنگ سفید دارند حاوی TiO2 می باشند. از این رو ما در خانه ها، محل کار و مکان های عمومی در احاطه مواد حاوی TiO2 قرار گرفته ایم. از زمان معرفی دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک محصول اقتصادی در سال 1923 ، هیچ نگرانی شناسایی شده ای برای سلامت همراه با مواجهه با آن در بین مصرف کنندگان یا عموم مردم وجود نداشته است.

این واقعیت ها با نتایج چهار بررسی بزرگ امراض مسری شامل بیش از 20 هزار کارگر در صنعت ساخت دی اکسید تیتانیوم در آمریکای شمالی و اروپا تایید می شوند که هیچ ارتباطی را با افزایش خطر سرطان یا هر گونه عوارض برای ریه ها نشان نمی دهند. این بررسی ها تمایز بین نانو دی اکسید تیتانیوم و رنگدانه ای را مشخص نمی کنند.

در سال 2006، آژانس بین المللی تحقیقات سرطان (IARC) ، دی اکسید تیتانیوم را به عنوان “ماده سرطان زای احتمالی برای انسان ها” بیشتر بر اساس بررسی هایی در موش ها ارزیابی نمود. مواجه های استنشاقی با دی اکسید تیتانیوم در موش ها می تواند منجر به تأثیر بر ریه و تومورهای ریوی شود.به هرحال ، بطور عمومی شناخته شده است که موش به طور بی نظیری نسبت به اثرات” اضافه بار ریه” حساس است که این مسأله در گونه های دیگر از جمله انسان مشاهده نمی شود.

اشکال دی اکسید تیتانیوم

دی اکسید تیتانیوم به طور طبیعی در چندین نوع سنگ و شن و ماسه معدنی به وجود می آید. تیتانیوم نهمین عنصر رایج در پوسته زمین است. TiO2 معمولاً از لحاظ شیمیایی ، ساکن تلقی می شود. دی اکسید تیتانیوم به اشکال مختلفی با خصوصیات متفاوت ساخته می شود.

دی اکسید تیتانیوم نوع رنگدانه ای دارای ذرات اولیه ای است که اندازه آن ها بین 350-200 نانومتر است و ماده نانو تلقی نمی شود. این ماده خصوصیات بی نظیر پراکنده سازی نور دارد و در کاربردهایی استفاده می شود که نیازمند شفافیت و درخشندگی سفیدرنگ هستند. این ماده نور UV را جذب می کند. TiO2 هنگام ترکیب با پلیمر ، تجزیه سیستم (شکنندگی ، محو شدگی و ترک خوردگی) را کاهش می دهد.

نانو دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک ماده نانو برای داشتن ذرات اولیه کمتر از 100 نانومتر مهندسی می شود. این ماده مادامیکه هنوز جذب نور UV را انجام می دهد شفاف به نظر می رسد. سطوح تولید نانو دی اکسید تیتانیوم تنها یک صدم از کل تولید TiO2 را تشکیل می دهند.

فرآیندهای تولید برای TiO2 رنگدانه ای و همینطور TiO2 به عنوان یک ماده نانو در طول سه دهه گذشته تغییر چشمگیری نداشته اند.

ذرات اولیه در تیتانیوم دی اکسید برای تشکیل مواد انباشته به وسیله پیوندهای شیمیایی به شدت به یکدیگر پیوند می یابند تا به شکا توده در بیایند. آن ها برای تشکیل ذرات در محدوده اندازه میکرون مجدد  انباشته می شوند.

کاربردها

تیتانیوم دی اکسید نوع رنگدانه ای ده ها سال در محدوده وسیعی از کالاهای صنعتی و مصرفی از جمله رنگ ها ، پوشش ها ، چسب ها ، کاغذ و مقوا ، پلاستیک و لاستیک ، جوهرهای چاپ ، پارچه های پوشش داده شده و منسوجات ، سیستم های کاتالیست ، سرامیک ، کف پوش ها ، مواد سقف سازی ، لوازم آرایشی و دارویی ، عوامل عمل آوری آب ، رنگ های خوراکی و در صنایع خودرو سازی و … به کار رفته است.

انواع خاص تیتانیوم دی اکسید رنگدانه ای که دارای استانداردهای خلوص مناسب می باشند به عنوان رنگ دهنده در مواد خوراکی ( مثل آب نبات ها ، بیسکوئیت ها ، شیرینی ها ، سفید کننده های قهوه ، خمیردندان و غیره ) و مواد دارویی ( چندین نوع دارو)  مورد تایید قرار گرفته اند.

انواع مشخصی از تیتانیوم دی اکسید هم در اشکال رنگدانه ای و هم در اشکال نانو در کاربردهای آرایشی مثل رژ لب ها ، محصولات میکاپ مورد استفاده قرار می گیرند. تیتانیوم دی اکسید رنگدانه ای برای ایجاد تیرگی و روشنی مثلاً در کرم های ضد آفتاب به کار می رود. نانو دی اکسید تیتانیوم برای ایجاد شفافیت و جذب UV به عنوان جزء حفاظتی در کرم های ضد آفتاب به کار می رود. این ماده به فاکتورهای حفاظت بالا در مقابل خورشید (SPF) کمک می کند و سال ها برای حفاظت در مقابل اشعه مضر ماوراء بنفش خورشید به کار رفته است.

نانو دی اکسید تیتانیوم ریز از دهه 1950 برای کاهش انتشار محیطی اکسیدهای نیتروژن مورد استفاده قرار گرفته است. این ماده در سیستم های “کاهش کاتالیزی انتخابی (SCR) ” به کار می رود که اکسیدهای نیتروژن را به نیتروژن بی ضرر و آب تبدیل می کنند. سیستم های SCR تجاری معمولاً در دیگ های بخار صنعتی بزرگ ، کارخانه ها و ایستگاه های اشتعال یا موتورهای دیزلی خودروها نصب می شوند. کاربرد دیگر آن استفاده از خصوصیات فتوکاتالیزی نانو دی اکسید تیتانیوم برای ایجاد سطوح خود پاکساز مثلاً بر روی شیشه و سیمان است.

ارزیابی ایمنی

از زمان معرفی تیتانیوم دی اکسید به عنوان یک محصول تجاری در سال 1923 ، هیچ نگرانی شناخته شده ای در رابطه با تاثیر بر سلامت در مواجهه با آن در بین مصرف کنندگان یا عموم مردم  وجود نداشته است. این محصول در کاربردهای مختلف خود در طول دهه ها ، ایمن شناخته شده است.

یافته های کلیدی از بررسی های علمی :

چهار بررسی بزرگ امراض مسری شامل بیش از 20 هزار کارگر در صنعت ساخت دی اکسید تیتانیوم در آمریکای شمالی و اروپا هیچ رابطه ای را با افزایش خطر سرطان یا هر گونه عوارض دیگری برای ریه ها نشان نمی دهند. این بررسی ها تمایز بین نانو دی اکسید تیتانیوم و رنگدانه ای را مشخص نکردند.

در سال 2006 ، آژانس بین المللی تحقیقات سرطان (IARC) تیتانیوم دی اکسید را به عنوان ” ماده سرطان زای احتمالی برای انسان ها ” بیشتر بر اساس بررسی هایی در موش ها ارزیابی نمود. با این حال ، عموماً شناخته شده است که موش حساسیت بالایی به اثرات “اضافه بار ریه ” دارد که  این خصوصیت در گونه های دیگر از جمله انسان مشاهده نمی شود.

به طورقطعی اثبات شده است که دی اکسید تیتانیوم با غلظتی تا 25% در کرم های ضد آفتاب برای حفاظت از پوست در مقابل اثرات مضر اشعه UV ایمن می باشد. بررسی ها نشان می دهند که ذرات نانو تیتانیوم دی اکسید ( رنگدانه ای یا بسیار ریز) به پوست ناسالم یا آسیب دیده نفوذ نمی کنند.

سناریوهای کاربرد

مواجهه شغلی

کارگران در کارخانه های ساخت تیتانیوم دی اکسید و مصرف کنندگان پایین دستی می توانند در معرض غبار دی اکسید تیتانیوم قرار گیرند. اقدامات حفاظتی از جمله کنترل های مهندسی و تجهیزات حفاظت شخصی برای کنترل مواجهه کاهش خطرات کارگران مطابق با قوانین و مقررات موجمود به کار می روند.

مواجهه مصرف کننده

مواجهه مصرف کننده با غبار دی اکسید تیتانیوم به وسیله استنشاق بسیار پایین خواهد  بود زیرا TiO2 معمولاً با ماتریکس محصول ترکیب می شود که در آن پیوند محکمی می یابد همانند رنگ ها یا پلاستیک ها. مصرف خوراکی نواع انتخابی TiO2 رنگدانه ای تأیید شده است و در مورد غذا ها و داروها روی می دهد. تماس با پوست در کاربردهای آرایشی نیز تأیید شده و عمل دیرینه ای است.

سرنوشت محیطی

تیتانیوم دی اکسید در بسیاری از کاربردها مزایای محیطی پایین دستی (مثل فتوکاتالیست ها برای تجزیه آلاینده ها) را ارائه می دهد. در تحلیل های چرخه حیاتی (آنالیز گهواره تا گور)، هم رد پای بالا دستی ساخت TiO2 و هم مزایای عملکرد محیطی پایین دستی باید در نظر گرفته شوند. از آنجا که TiO2 ساکن است ، نمونه بی خطر آن به طور طبیعی در سنگ ها و مواد معدنی به وجود می آید و سرانجام بازگشت آن به محیط نباید نگرانی عمده ای باشد.