Was ist Titandioxid?

 

Woher kommt es und warum brauchen wir es?

Titandioxid (TiO2) ist eine helle, weiße Substanz, die hauptsächlich als wichtiger Farbstoff in einer breiten Palette an gebräuchlichen Produkten verwendet wird. Es hat darüber hinaus einige weniger bekannte Eigenschaften, die es zu einem besonders nützlichen und wichtigen Inhaltsstoff bei unserem Kampf gegen den Klimawandel und bei der Prävention von Hautkrebs machen.

Mit seiner ultraweißen Farbe, der Eigenschaft, Licht zu streuen, und seiner UV-Beständigkeit ist TiO2 ein gebräuchlicher Inhaltsstoff, der in Hunderten von Produkten eingesetzt wird, die wir jeden Tag sehen und verwenden – und er bringt bedeutende Vorteile für unsere Wirtschaft und Lebensqualität insgesamt.

 

  • EU-weit gehören Farben, Kunststoffe, Papier, Arzneimittel, Sonnenschutzmittel und Lebensmittel zu den Anwendungen für TiO2.

 

  • Als Photokatalysator kann Titandioxid zu Farben, Zement, Fenstern und Fliesen hinzugefügt werden, um Umweltschadstoffe unwirksam zu machen[1][2].

 

  • Als weißes Pigment ist TiO2 einer der wichtigsten Rohstoffe für Farben und Beschichtungen. Allein der Markt im Heimwerkerbereich für Farben, die TiO2 enthalten, beläuft sich auf 3,5 Milliarden Euro.

 

Was ist Titandioxid?

Titandioxid ist eine weiße, anorganische Verbindung, die seit ca. 100 Jahren bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Produkten verwendet wird. Aufgrund seiner ungiftigen, nicht reaktiven und aufhellenden Eigenschaften, verbessert es ohne Risiko den Weißegrad und die Helligkeit von vielen Stoffen.

Es ist das weißeste und hellste bekannte Pigment mit reflektierenden Eigenschaften, das UV-Strahlen sowohl streuen als auch absorbieren kann.

Wofür wird Titandioxid verwendet?

Die ultraweiße Farbe, die stark streuenden und UV-beständigen Eigenschaften machen TiO2 so unglaublich beliebt im industriellen und privaten Bereich, dass es in Dutzenden von Produkten verwendet wird, die tagtäglich eingesetzt werden.

Neben Farben, katalytischen Beschichtungen, Kunststoffen, Papier, Arzneimitteln und Sonnenschutzmitteln wird es auch in weniger bekannten Bereichen wie Verpackungen, komerzieller Druckertinte, Kosmetika, Zahnpasta und Lebensmitteln eingesetzt (aufgeführt als Lebensmittelfarbstoff E171)[3].

 

Farben, Beschichtungen und Kunststoffe

Bei dem speziellen Einsatz als Pigment in Farben wird TiO2 als Titanweiß, Pigment White 6 oder CI 77891 bezeichnet. Es ist wegen seiner herausragenden weißverstärkenden Eigenschaften auch als das „perfekte Weiß“ oder das „weißeste Weiß“ bekannt.

Bis zur Gesetzesänderung in den 1920er Jahren verwendeten die meisten gewerblichen Farbhersteller das hochgiftige Bleiweiß als Weißmacher. Titandioxid wurde nicht sofort als Ersatz verwendet, da es unter anderem teurer war. Auch Zinkoxid (ZnO) wird als Weißpigment verwendet, ist aber nicht so effektiv.

Titandioxid ist heute eines der bekanntesten weltweit verwendeten Pigmente und bildet die Grundlage für die meisten Farbprodukte.5 Es wird auch in Beschichtungen und Kunststoffen verwendet. Diese Einsatzgebiete von Titandioxid machen mehr als 50 Prozent der weltweiten Verwendung aus[4].

Der hohe Brechungsindex bedeutet, dass es als Pigment sichtbares Licht streuen kann. Hieraus resultieren eine hohe Deckkraft bei Farben und eine leuchtende, reflektierende Farbqualität beim Einsatz auf Oberflächen oder bei der Einbringung in ein Produkt.

Eine bedeutende Beispielanwendung ist die Beschichtung von Windturbinen, die so einen geeigneten weißen Anstrich und einen Schutz vor UV-Schäden erhalten. Aus demselben Grund wird es auch in Fensterrahmen aus Kunststoff eingesetzt.

 

Lebensmittel

In Lebensmitteln wird TiO2 im Pigmentgrad (siehe unten) verwendet und als E171 bezeichnet. In vielen Lebensmittelprodukten wird es als Weißmacher, aber auch zur Farb- und Konsistenzoptimierung eingesetzt. E171 kann Schokolade glatter machen oder bei einigen Süßigkeiten den Reibungseffekt verstärken.

Lesen Sie mehr über Titandioxid in Lebensmitteln.

 

Kosmetik und Hautpflege

Bei Hautpflege- und Makeup-Produkten wird Titandioxid sowohl als Pigment als auch als Verdickungsmittel für Cremes verwendet. Als Sonnenschutzmittel wird ultrafeines TiO2 aufgrund seiner Transparenz und UV-absorbierenden Eigenschaften eingesetzt[5][6].

Lesen Sie mehr darüber, wie Titandioxid in Sonnenschutzmitteln eingesetzt wird.

 

Vorteile im Umweltbereich

Aufgrund seiner unterschiedlichen Eigenschaften zeigt Titandioxid viele verschiedene umweltfreundliche Einsatzmöglichkeiten.

Wird TiO2 in Farbbeschichtungen an der Gebäudeaußenseite in warmen und tropischen Klimagebieten verwendet, können die weißen, lichtreflektierenden Eigenschaften zu einer beträchtlichen Energieeinsparung führen, da so die Notwendigkeit von Klimaanlagen reduziert wird.

Dank der hohen Deckkraft sind keine dicken oder doppelten Beschichtungen erforderlich, was zu einer besseren Ressourcenausnutzung und zur Müllvermeidung führt.

Als Photokatalysator kann Titandioxid zu Farben, Zement, Fenstern und Fliesen hinzugefügt werden, um Umweltschadstoffe unwirksam zu machen[1][2]. Als Nanomaterial (siehe unten) kann es auch als entscheidender DeNOx-Katalysator in Abgasnachbehandlungssystemen in PKWs, LKWs und Kraftwerken verwendet werden, sodass die Umweltbeeinträchtigungen dort minimiert werden können[7].

Forscher entdecken immer neue mögliche Einsatzbereiche für Titandioxid in dieser Form. Dazu gehört auch die saubere Energieproduktion.

Als Photokatalysator kann TiO2 die Hydrolyse durchführen (Aufspalten von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff) und der gesammelte Wasserstoff kann als Treibstoff verwendet werden[8].

Auch bei einer Solarenergiezelle, die als Grätzel-Zelle bekannt ist, wird Titandioxid im Nanobereich verwendet, um Solarenergie in einem Vorgang zu erzeugen, der dem der Photosynthese bei Pflanzen ähnlich ist[9][10].

Weitere Informationen finden Sie unter Einsatzgebiete von Titandioxid.

 

Was sind die physikalischen Eigenschaften von Titandioxid?

Titandioxid weist zahlreiche einzigartige Merkmale auf, die es für viele verschiedene Anwendungen empfehlen.

Es hat einen extrem hohen Schmelzpunkt von 1843 ºC und einen Siedepunkt von 2972 ºC. Als natürlicher Feststoff und sogar in der Partikelform ist es unlöslich in Wasser. TiO2 ist darüber hinaus ein Isolator[11][12].

Im Gegensatz zu anderen weißen Materialien, die im Licht leicht gelblich erscheinen, zeigt TiO2 aufgrund der Art wie es UV-Licht absorbiert, nicht diesen Gelbstich, sondern ein reines Weiß.

Eine besonders wichtige EIgenschaft von Titandioxid, ist, dass es über einen sehr hohen Brechungsindex verfügt (die Fähigkeit, Licht zu brechen), der selbst den von Diamanten übersteigt. Dies macht es zu einer unglaublich hellen Substanz und einem idealen Stoff für die Verwendung im ästhetischen Bereich.

Eine andere bedeutende Eigenschaft von Titandioxid ist, dass es unter UV-Licht Einstrahlung als Photokatalysator wirkt. Es ist daher für die Reinigung im Umweltbereich, verschiedene Arten von Schutzbeschichtungen, Sterilisation, Anti-Beschlag-Oberfläche und sogar zum Einsatz in der Krebstherapie geeignet[13][14][15].

 

  • Leuchtkraft
    Mehr Leuchtkraft, Farbstärke, Deckkraft und Perlglanz als alle anderen Substanzen.

 

  • Widerstandskraft
    Hitze-, Licht- und Wetterbeständigkeit verhindern die Erosion von Farbe und Beschichtungen sowie das Sprödewerden von Kunststoffen.

 

  • Schutz
    Dank der Fähigkeit, UV-Strahlung zu brechen und zu absorbieren, ist TiO2 der wichtigste Inhaltsstoff für Sonnenschutzmittel und schützt die Haut so vor schädlichen, krebsverursachenden UV-Strahlen.

 

  • Ungiftig
    Da Titandioxid ungiftig und nicht reaktiv ist, kann es in Lebensmitteln und Arzneimitteln verwendet werden, ohne dass andere Inhaltsstoffe beeinträchtigt werden.

 

  • Leistungsstark
    Es wird als Photokatalysator in Solarpanelen verwendet und reduziert Schadstoffe in der Luft.

 

In welchen Formen kommt Titandioxid vor?

TiO2 zeigt unterschiedliche Merkmale, je nachdem, ob es als Pigment oder als Nanomaterial produziert wird. Beide Formen sind geschmacksneutral, geruchlos und nicht löslich.

TiO2-Pigmentpartikel sind ca. 200–350 nm groß und stellen ungefähr 98 % der Gesamtproduktion dar. Es wird hauptsächlich zur Lichtstreuung und für Oberflächenbehandlungen zur Deckkraft verwendet, wie beispielsweise in Farben. Dazu gehört die Verwendung als Basis für verschiedene Farben oder eigenständig als „leuchtendes“ Weiß.

Nanopartikel oder ultrafeines TiO2 besteht aus primären Partikeln, die kleiner als 100 nm sind. In dieser Qualität ist Titandioxid transparent (farblos) und besticht durch verbesserte UV-Brechungs- und -Absorptionseigenschaften im Vergleich zur größeren Partikelqualität des TiO2-Pigments.

 

Woraus besteht Titandioxid?

Titan ist eines der am häufigsten vorkommenden Metalle der Erde, jedoch in seiner elementaren Form kommt es nicht natürlich vor. Titandioxid – auch Titan(IV)-oxid oder Titania genannt – ist die natürlich vorkommende Verbindung, die entsteht, wenn Titan mit dem Sauerstoff in der Luft reagiert. Als Oxid kommt Titan in Mineralien in der Erdkruste vor. Es wird auch in anderen Elementen wie Calcium und Eisen gefunden[16].

Seine chemische Formel lautet TiO2, d. h., es besteht aus einem Titanatom und zwei Sauerstoffatomen (daher ist es ein Dioxid). Seine CAS-Registrierungsnummer (Chemical Abstracts Service) lautet 13463-67-7[17].

TiO2 wird als chemisch inert angesehen, d. h., es reagiert nicht mit anderen Chemikalien und ist daher eine stabile Substanz, die in vielen Industriebereichen für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden kann[18].

 

Woher stammt Titandioxid?

Titandioxid wurde offiziell zuerst in einem Labor im späten 19. Jahrhundert benannt und erzeugt. Eine Massenproduktion fand erst im frühen 20. Jahrhundert statt, als es als sichere Alternative für andere Weißpigmente erkannt wurde[16].

Das Element Titan und die Verbindung TiO2 werden überall auf der Welt zusammen mit anderen Elementen wie Eisen in verschiedenen Arten von Stein- und Mineralsanden gefunden (auch als Komponente einiger Strandsande). Titan kommt am häufigsten als Ilmenit (ein Titaneisenoxid-Mineral) und manchmal als das Mineral Rutil, einer Form von TiO2, vor. Diese inerten molekularen Verbindungen müssen durch einen chemischen Prozess getrennt werden, damit reines Titandioxid erzeugt werden kann.

 

Wie wird Titandioxid extrahiert?

Das Extrahieren von reinem Titandioxid aus Titan-enthaltenden Molekülen ist abhängig von der Zusammensetzung der ursprünglichen Mineralerze oder Ausgangsmaterialien. Es werden zwei Methoden für die Herstellung von reinem TiO2 verwendet: ein Sulfatverfahren und ein Chloridverfahren.

Die wichtigste natürliche Quelle von Titandioxid ist abgebautes Ilmenit-Erz, welches 45-60 Prozent TiO2 enthält. Aus diesem Stoff oder einem angereicherten Derivat (als Titanschlacke bekannt) kann mit dem Sulfat- oder Chloridverfahren reines TiO2 hergestellt werden.

 

Sulfat- und Chloridverfahren

Das Sulfatverfahren ist in der EU das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur TiO2-Produktion und macht 70 Prozent der europäischen Quellen aus. Die verbleibenden 30 Prozent werden per Chloridverfahren extrahiert. Global basieren geschätzte 40–45 Prozent der Weltproduktion auf dem Chloridverfahren.

Da es sich um eine weithin eingesetzte Substanz mit vielen Anwendungsmöglichkeiten handelt, wird daran geforscht, wie der Produktionsprozess verbessert und die verwendeten Chemikalien und entstehenden Abfall- und Nebenprodukte reduziert und recycelt werden können.

 

Die Zukunft von Titandioxid

Für eine Substanz, die in der Öffentlichkeit relativ unbekannt ist, ist es erstaunlich, in wie vielen alltäglichen Produkten Titandioxid enthalten ist. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Titandioxid werden unsere Haut, Städte, Autos, Häuser, Lebensmittel und unsere Umwelt heller, sicherer, widerstandsfähiger und sauberer. Titandioxid wird bereits seit 100 Jahren gewerblich genutzt, aber seine Bedeutung wird nun noch größer werden, da unsere Umwelt größeren Herausforderungen durch die wachsende Weltbevölkerung gegenüber steht.