高端材料二氧化钛

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二氧化钛(化学式:TiO?,白色固体或粉末状的两性氧化物,分子量:79.9,是一种白色无机颜料,具有无毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度,被认为是现今世界上性能最好的一种白色颜料。钛白的粘附力强,不易起化学变化,永远是雪白的。广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等工业。它的熔点很高,也被用来制造耐火玻璃,釉料,珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。

同时,二氧化钛有较好的紫外线掩蔽作用,常作为防晒剂掺入纺织纤维中,超细的二氧化钛粉末也被加入进防晒霜膏中制成防晒化妆品。

二氧化钛可由金红石用酸分解提取,或由四氯化钛分解得到。二氧化钛性质稳定,大量用作油漆中的白色颜料,它具有良好的遮盖能力,和铅白相似,但不像铅白会变黑;它又具有锌白一样的持久性。二氧化钛还用作搪瓷的消光剂,可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。

二氧化钛一般分锐钛矿型(Anatase,简称A型)和金红石型(Rutile,简称R型)。

一、物理性质

1、相对密度:在常用的白色颜料中,二氧化钛的相对密度最小,同等质量的白色颜料中,二氧化钛的表面积最大,颜料体积最高。

颜料名称

密度/(g/cm3)

锐钛型二氧化钛

3.8~3.9

金红石型二氧化钛

4.~4.3

板钛型二氧化钛

4.1~4.3

、介电常数:由于二氧化钛的介电常数较高,因此具有优良的电学性能。在测定二氧化钛的某些物理性质时,要考虑二氧化钛晶体的结晶方向。例如,金红石型的介电常数,随晶体的方向不同而不同,当与C轴相平行时,测得的介电常数为,与此轴呈直角时为90,其粉末平均值为。锐钛矿型二氧化钛的介电常数比较低只有48。

3、电导率:二氧化钛具有半导体的性能,它的电导率随温度的上升而迅速增加,而且对缺氧也非常敏感。例如,金红石型二氧化钛在0℃时还是电绝缘体,但加热到40℃时,它的电导率增加了倍。稍微减少氧含量,对它的电导率会有特殊的影响,按化学组成的二氧化钛(TiO)电导率10-10s/cm,而TiO1.的电导率则高达10-1s/cm。金红石型二氧化钛的介电常数和半导体性质对电子工业非常重要,该工业领域利用上述特性,生产陶瓷电容器等电子元器件。

4、硬度:按莫氏硬度10分制标度,金红石型二氧化钛为6~6.5,锐钛矿型二氧化钛为5.5~6.0,因此在化纤消光中为避免磨损喷丝孔而采用锐钛型。

金红石晶体结构

5、熔点和沸点:由于锐钛矿型和板钛型二氧化钛在高温下都会转变成金红石型,因此板钛型和锐钛矿型二氧化钛的熔点和沸点实际上是不存在的。只有金红石型二氧化钛有熔点和沸点,金红石型二氧化钛的熔点为℃、空气中的熔点(±15)℃、富氧中的熔点℃,熔点与二氧化钛的纯度有关。金红石型二氧化钛的沸点为(±)K,在此高温下二氧化钛稍有挥发性。

6、吸湿性:

二氧化钛虽有亲水性,但吸湿性不太强,金红石型与锐钛型相比较小。

二氧化钛的吸湿性与其表面积的大小有一定关系,表面积大,吸湿性高。

二氧化钛的吸湿性也与表面处理及性质有关。

7、热稳定性:

二氧化钛属于热稳定性好的物质,一般用量为0.01%~0.1%。

物理结构:金红石型、锐钛矿型;结晶系、四方晶系。

晶格常数:A轴0.,c轴0.,A轴0.,c轴0.

a轴:7.19X10-6.88~10-6

c轴:9.94X10-66.44~10-6

二、化学性质

与熔融的碳酸钡生成偏钛酸钡(加入氯化钡或碳酸钠做助溶剂):

TiO+BaCO3=BaTiO3+CO↑

不溶于水或者稀硫酸,但是可以溶于热浓硫酸或熔融的硫酸氢钾:

TiO+HSO4=TiOSO4+HO

二氧化钛溶于热浓硫酸所得溶液虽然是酸性的,但加热煮沸也能发生水解,得到不溶于酸、碱的水合二氧化钛(β型钛酸)。若加碱于新制备的钛盐酸性溶液,得到新鲜的水合二氧化钛(α型钛酸),其反应活性大于β型钛酸,可以溶于稀酸及浓碱。溶于浓氢氧化钠溶液后,从溶液中可以析出化学式为NaTiO3·HO的水合钛酸盐。

二氧化钛与炭粉压制成团并经过焦化,加热到0-K,可以制取气态的四氯化钛。

TiO+Cl+C=TiCl4↑+CO↑

这一反应对于提炼钛很重要,镁或钠可以简便的还原四氯化钛。

二氧化钛与COCl(光气)、SOCl(二氯亚砜)、CHCl3(三氯甲烷)、CCl4(四氯化碳)等氯化试剂的反应也可以用于制取四氯化钛:

TiO+CCl4=TiCl4↑+CO↑(该反应K下完成)

三、表面性质

1、表面超亲水性

研究认为在光照条件下,TiO表面的超亲水性起因于其表面结构的变化。在紫外光照射下,TiO价带电子被激发到导带,电子和空穴向TiO表面迁移,在表面生成电子空穴对,电子与Ti反应,空穴则与表面氧离子反应,分别形成正三价的钛离子和氧空位。此时,空气中的水解离吸附在氧空位中,成为化学吸附水(表面羟基),化学吸附水可进一步吸附空气中的水分,形成物理吸附层。

、表面羟基

相对于其它半导体半金属材料的金属氧化物,TiO中Ti-O键的极性较大,表面吸附的水因极化发生解离,容易形成羟基。这种表面羟基可提高TiO作为吸附剂及各种单体的性能,为表面改性提供方便。

3、表面酸碱性

TiO在改性时常加入Al、Si、Zn等氧化物,Al或Si的氧化物单独存在时无明显的酸碱性,但与TiO复合,则呈现强酸碱性,可以制备固体超酸。

4、表面电性

TiO颗粒在液态(尤其是极性的)介质中因表面带有电荷就会吸附相反的电荷而形成扩散双电层,使颗粒有效直径增加,当颗粒彼此接近时,因各具同性电荷而相斥,有利于分散体系的稳定。如经AlO3包膜的TiO表面具有正电荷,而用SiO处理的TiO带负电荷。

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