Qu’est-ce que le dioxyde de titane ?

 

D’où vient-il et pourquoi nous est-il utile ?

Le dioxyde de titane (TiO2) est une substance d’un blanc éclatant, utilisé principalement comme colorant intense dans une large gamme de produits courants. Il possède également plusieurs qualités moins connues qui font de lui un ingrédient extrêmement utile et important dans notre lutte contre le changement climatique et pour la prévention du cancer de la peau.

Très apprécié pour sa couleur blanc intense, sa capacité à diffuser la lumière et sa résistance aux UV, le TiO2 est un ingrédient très prisé, utilisé dans des centaines de produits du quotidien, qui apporte d’importants bénéfices à notre économie et à notre qualité de vie.

 

  • Dans l’UE, le TiO2 est utilisé dans les peintures, les plastiques, le papier, les produits pharmaceutiques, la crème solaire et les aliments.

 

  • En tant que photocatalyseur, le dioxyde de titane peut être ajouté aux peintures, ciments, fenêtres et tuiles afin de décomposer les polluants environnementaux.¹

 

  • En tant que pigment blanc, le TiO2 est l’une des matières premières les plus importantes pour les peintures et revêtements.

Dans le secteur du bricolage, les peintures contenant du TiO2 représentent à elles seules un marché de 3,5 milliards d’euros.

 

Qu’est-ce que le dioxyde de titane ?

Le dioxyde de titane est un composé inorganique blanc, utilisé en toute sécurité depuis près de 100 ans dans un nombre incroyable de produits divers et variés. Il est valorisé pour ses propriétés non toxiques, non réactives et lumineuses, qui rehaussent en toute sécurité la blancheur et l’éclat de nombreux matériaux.

Il est le plus blanc et le plus brillant des pigments connus, offrant des qualités réfléchissantes. Il est également capable de diffuser et d’absorber les rayons UV.

 

Quelles sont les applications du dioxyde de titane ?

Sa couleur ultra blanche, ses propriétés hautement réfractives et résistantes aux UV font du TiO2 un composant extrêmement populaire dans les secteurs industriels et grand public, utilisé dans des dizaines de produits du quotidien.

Au-delà des peintures, revêtements catalytiques, plastiques, papiers, produits pharmaceutiques et crèmes solaires, il est également utilisé dans des applications moins connues comme les emballages, les encres pour l’impression commerciale, les cosmétiques, les dentifrices et la nourriture (en tant que colorant alimentaire E171).2

 

 

Peintures, revêtements et plastiques

Lorsqu’il est utilisé en tant que pigment dans les peintures, le TiO2 est appelé blanc de titane, pigment blanc 5 ou CI 77891.

On l’appelle également « le blanc parfait », ou « le plus blanc des blancs » en raison de ses qualités blanchissantes pures et puissantes.

Le dioxyde de titane est aujourd’hui l’un des pigments les plus couramment utilisés dans le monde, et constitue la base de la plupart des couleurs de peinture.5 On le trouve également dans les revêtements et les plastiques. Ces applications du dioxyde de titane constituent plus de 50 % de son utilisation dans le monde entier.6

Son indice de réfraction élevé signifie qu’en tant que pigment, il est capable de diffuser la lumière visible.

On obtient ainsi une couleur blanche opaque et un aspect brillant et réfléchissant lorsqu’il est appliqué sur une surface ou incorporé dans un produit.

On peut citer, à titre d’exemple emblématique de ces applications, son utilisation comme revêtement sur les éoliennes, qui permet d’obtenir une couleur blanche adaptée et une protection contre les dégradations dues aux UV. Pour les mêmes raisons, on le trouve également dans les cadres de fenêtres en plastique.

 

Alimentation

Dans les aliments, le TiO2 est utilisé comme colorant alimentaire (voir ci-dessous), sous l’appellation E171.

Dans de nombreux produits alimentaires, il joue le rôle d’agent blanchissant, mais également de rehausseur d’éclat et de couleur. L’E171 améliore l’onctuosité de certains chocolats et peut également produire un effet lisse lorsqu’il est utilisé dans certains bonbons.

Découvrez plus d’informations sur le dioxyde de titane dans les aliments.

 

Cosmétiques et soins de la peau

Dans les produits de soins de la peau et cosmétiques, le dioxyde de titane est utilisé comme pigment et comme épaississant pour les crèmes.
Dans les crèmes solaires, le TiO2 est utilisé notamment sous sa forme nanométrique pour sa transparence et sa capacité à absorber les UV.7

Découvrez comment le dioxyde de titane est utilisé dans les crèmes solaires.

 

Avantages pour l’environnement

En raison de ses nombreuses propriétés, le dioxyde de titane a démontré son efficacité pour de nombreuses applications respectueuses de l’environnement.

Lorsqu’il est utilisé dans des peintures de revêtement extérieur dans les climats chauds ou tropicaux, la blancheur et les qualités réfléchissantes du TiO2 peuvent permettre de réaliser des économies d’énergie considérables, car il réduit les besoins en climatisation.

Son opacité signifie également qu’il n’est pas nécessaire de l’appliquer en couches épaisses ou multiples, ce qui permet d’améliorer l’efficacité en termes d’utilisation de ressources et d’éviter les gaspillages.

En tant que photocatalyseur, le dioxyde de titane peut être ajouté aux peintures, ciments, vitres et tuiles afin de décomposer les polluants environnementaux.8 En tant que nanomatériau (voir ci-dessous), il peut également être utilisé en tant que support de catalyseur DeNOx essentiel dans les systèmes d’échappement pour les camions et les centrales électriques, permettant ainsi de minimiser leur impact sur l’environnement.9

Les chercheurs continuent de découvrir de nouvelles utilisations potentielles pour le dioxyde de titane sous la forme nanométrique. Ceci inclut la production d’énergie renouvelable.

Grace à la photocatalyse initiée par le TiO2, il a  été démontré qu’une action d’hydrolyse est possible (rupture des liaisons covalentes de l’eau afin d’obtenir de l’hydrogène et de l’oxygène), et l’hydrogène ainsi obtenu peut être utilisé comme carburant.10

Un type de cellule photovoltaïque disponible sur le marché, les cellules Grätzel, utilise également du dioxyde de titane nanométrique afin de produire de l’énergie solaire par le biais d’un processus similaire à la photosynthèse employée par les plantes.11

Découvrez les applications du dioxyde de titane pour plus d’informations.

 

Quelles sont les propriétés physiques du dioxyde de titane ?

Le dioxyde de titane possède différentes caractéristiques uniques qui le rendent idéal pour de nombreuses applications.

Il possède un point de fusion extrêmement élevé de 1 843 °C et un point d’ébullition de 2 792 °C. Il se trouve donc naturellement à l’état solide et, même sous sa forme de particule, est insoluble dans l’eau.
Le TiO2 possède également des propriétés isolantes.12

Contrairement aux autres matériaux blancs qui peuvent apparaître légèrement jaunes à la lumière, le TiO2 apparaît toujours d’un blanc éclatant grâce à sa capacité à absorber les UV.

Plus important encore, le dioxyde de titane possède également un indice de réfraction (sa capacité à diffuser la lumière) extrêmement élevé, plus élevé même que le diamant. Ces propriétés en font une substance incroyablement blanche et un matériau idéal pour une utilisation à des fins de conception esthétique.

Autre propriété remarquable du dioxyde de titane : son activité photocatalytique sous rayonnement UV.
Grâce à cette dernière, il représente une solution de purification environnementale efficace pour différents types de revêtements protecteurs, pour la stérilisation et les surfaces anti-condensation, et même dans le cadre de thérapies contre le cancer.13

 

  • Blanc éclatant Une substance d’une blancheur sans égale, avec un fort pouvoir colorant et opacifiant et un brillant unique.

 

  • Résistant Sa stabilité sous l’effet de la chaleur, de la lumière et des intempéries, évite la dégradation des peintures et des films, ainsi que la fragilisation des plastiques.

 

  • Protecteur En raison de sa capacité à diffuser et à absorber les rayonnements UV, le TiO2 est un ingrédient essentiel des crèmes solaires, lui permettant de protéger la peau des rayonnements UV nocifs et cancérigènes.

 

  • Non toxique Du fait de sa non-toxicité et de sa non-réactivité, il peut être utilisé dans les produits alimentaires et pharmaceutiques sans affecter les autres ingrédients.

 

  • Efficacité Il est utilisé dans les panneaux solaires ou pour réduire la concentration des polluants atmosphériques.

 

Quelles sont les formes du dioxyde de titane ?

Le TiO2 possède des qualités différentes selon qu’il s’agit de TiO2 pigmentaire ou nanométrique (nanomatériau). Les deux formes n’ont pas de goût, sont inodores et insolubles.

Les particules de TiO2 pigmentaire possèdent des dimensions d’environ 200 à 350 nm, et cette forme représente 98 % de la production totale. Cette forme est utilisée principalement pour les applications de diffusion de la lumière et d’opacification de surfaces, comme les peintures. Cela comprend son utilisation comme base pour diverses peintures colorées ou blanc « brillant », sans autre pigment.

La forme nanométrique, ou TiO2 ultra fin, est principalement constituée de particules de moins de 100 nm. Le dioxyde de titane nanométrique est transparent (incolore) et présente des propriétés de diffusion et d’absorption des UV supérieures par rapport au TiO2 pigmentaire, constitué de particules de taille supérieure.

 

De quoi est composé le dioxyde de titane ?

Le titane est l’un des métaux les plus courants sur Terre, mais il n’existe pas à l’état naturel sous sa forme élémentaire. Le dioxyde de titane (ou oxyde de titane (IV)) est le composé naturellement créé lorsque le titane réagit avec l’oxygène contenu dans l’air. Sous forme d’oxyde, le titane est présent dans les minéraux de la croûte terrestre.

On le trouve également associé à d’autres éléments, comme le calcium et le fer.14

Sa formule chimique est TiO2, ce qui signifie qu’il est constitué d’un atome de titane et de deux atomes d’oxygène (d’où « dioxyde »).
Son numéro d’enregistrement CAS (Chemical Abstracts Service) est le 13463-67-7.15

Le TiO2 est généralement considéré comme chimiquement inerte, ce qui signifie qu’il ne réagit pas avec d’autres substances chimiques, et qu’il s’agit donc d’une substance stable qui peut être utilisée dans de nombreuses industries et pour des applications variées.16

 

D’où provient le dioxyde de titane ?

Le dioxyde de titane a été officiellement nommé et créé pour la première fois en laboratoire vers la fin du XIXe siècle.
Il n’a été produit en grande quantité qu’à partir du début du XXe siècle.17

L’élément titane et le composé TiO2 sont présents dans le monde entier, liés à des éléments comme le fer, dans plusieurs types de minéraux et de sables (on en trouve notamment dans certains sables de plage).

Le titane se trouve le plus couramment à l’état naturel sous la forme de minerai ilménite (un oxyde de ferrotitane), et parfois sous la forme de minerai rutile, une forme cristalline de de TiO2. Ces composés moléculaires inertes doivent être séparés par le biais d’un procédé chimique afin de créer du dioxyde de titane pur.

 

Comment extrait-on le dioxyde de titane ?

Le mode d’extraction du dioxyde de titane à partir des molécules contenant du titane dépend de la composition des minerais d’origine, ou matière de base. Deux méthodes sont utilisées pour produire du TiO2 pur : un procédé au sulfate et un procédé au chlore.

La principale source naturelle de dioxyde de titane est le minerai ilménite, issu de l’extraction minière, qui contient entre 45 et 60 % de TiO2. À partir de celui-ci, ou d’un dérivé enrichi (slag de titane), du TiO2 pur peut être produit à l’aide d’un procédé au sulfate ou au chlore.

 

Méthodes au sulfate ou au chlorure

Parmi les deux méthodes d’extraction, le procédé au sulfate est actuellement la méthode la plus utilisée de production du TiO2 dans l’Union européenne, et représente 70 % des sources européennes.

Les 30 % restants sont obtenus par le biais du procédé au chlore.

Au niveau mondial, on estime qu’environ 40 à 45 % de la production mondiale est basée sur le procédé au chlore.18

Étant donné qu’il s’agit d’une substance couramment employée pour de multiples applications, des recherches sont menées afin d’améliorer le processus de production, de réduire les quantités de produits chimiques utilisés ainsi que les déchets produits, et de recycler ou valoriser tous les sous-produits.

 

L’avenir du dioxyde de titane

Le dioxyde de titane est relativement inconnu du grand public, mais la variété de ses applications n’en est pas moins remarquable. En raison de ses propriétés aussi nombreuses que variées, notre peau, nos villes, nos voitures, nos maisons, notre nourriture et notre environnement bénéficient de l’action du dioxyde de titane qui les rend plus blancs, plus sûrs, plus résistants et plus propres.

Utilisé en toute sécurité depuis près d’un siècle pour toutes sortes d’applications commerciales, le dioxyde de titane sera d’une importance encore plus vitale à l’avenir, dans un contexte de contraintes de plus en plus en plus importantes sur l’environnement liées à l’accroissement démographique.

 


Références


[1]http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1389556700000022
http://www.rsc.org/learn-chemistry/resource/res00001268/TiO2-photocatalysis-uses-of-titanium-dioxide
[2] Pour l’utilisation dans les encres :
http://www.chemcam.it/rdis%20rodi%20inks.pdf
[3] http://cameo.mfa.org/wiki/Titanium_dioxide
[4] https://fr.wikipedia.org/wiki/Dioxyde_de_titane
[5] http://www.webexhibits.org/pigments/indiv/history/tiwhite.html
[6] http://www.ceresana.com/en/market-studies/chemicals/titanium-dioxide/
[7] http://www.organicmakeup.ca/ca/titaniumdioxide.asp
https://uk.lush.com/ingredients/titanium-dioxide
[8] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1389556700000022
http://www.rsc.org/learn-chemistry/resource/res00001268/TiO2-photocatalysis-uses-of-titanium-dioxide
[9] http://www.cristal.com/products-and-services/ultrafine-and-specialty-TiO2/Documents/EnvironCat_EN.pdf
[10] https://www.sciencedaily.com/releases/2013/03/130320094856.htm
[11] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22023080
http://gcell.com/gcell-labs/titanium-dioxide-coatings-for-dssc
[12]https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/titanium_dioxide#section=Methods-of-Manufacturing
http://adsabs.harvard.edu/abs/1942PhRv…61…56E
[13] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1466856416302983
https://nano.cancer.gov/action/news/2009/sep/nanotech_news_2009-09-23b.asp
https://www.nature.com/articles/srep23200
[14] http://cameo.mfa.org/wiki/Titanium_dioxide
[15] http://www.cas.org/motw/titaniumdioxide.html
[16] http://www.essentialchemicalindustry.org/chemicals/titanium-dioxide.html
[17] http://cameo.mfa.org/wiki/Titanium_dioxide
[18] TDMA