Wat is titaandioxide?

 

Waar komt het vandaan en waarom hebben we het nodig?

Titaandioxide (TiO2) is een heldere witte stof die voornamelijk wordt gebruikt als een levendige kleurstof in een grote verscheidenheid aan alledaagse producten. Het heeft ook een aantal minder bekende kwaliteiten die het een uiterst nuttig en belangrijk ingrediënt maken in onze strijd tegen klimaatverandering en het voorkomen van huidkanker.

Titaandioxide wordt geprezen om zijn ultra-witte kleur, het vermogen om licht te verstrooien en UV-straling te weerstaan. Het is een populair ingrediënt dat wordt gebruikt in honderden producten die we dagelijks zien en gebruiken, met belangrijke voordelen voor onze economie en algemene kwaliteit van leven.

 

  • In de hele EU omvatten toepassingen voor TiO2 onder meer verven, kunststoffen, papier, geneesmiddelen, zonnebrandcrèmes en levensmiddelen.

 

  • Als fotokatalysator kan titaandioxide worden toegevoegd aan verven, cement, ramen en tegels om milieuvervuilende elementen te ontbinden.[1][2]

 

  • Als wit pigment is TiO2 één van de belangrijkste grondstoffen voor verven en deklagen. De doe-het-zelfmarkt voor verven die TiO2 bevatten bedraagt alleen al € 3,5 miljard.

 

Wat is titaandioxide?

Titaandioxide is een witte anorganische verbinding die al ongeveer 100 jaar wordt gebruikt in een groot aantal uiteenlopende producten. Het wordt gebruikt voor zijn niet-toxische, niet-reactieve en heldere eigenschappen, die op een veilige manier de witheid en helderheid van vele materialen vergroten.

Het is het witste en helderste van alle gekende pigmenten, met reflecterende eigenschappen; het kan UV-stralen zowel verstrooien als absorberen.

Waarvoor wordt titaandioxide gebruikt?

De ultra-witte kleur, het hoge brekingsvermogen en UV-bestendigheid maken TiO2 enorm populair in zowel de industrie als de consumentensector en het maakt deel uit van tientallen producten die mensen dagelijks gebruiken en zien.

Naast verven, katalytische deklagen, plastics, papier, farmaceutische producten en zonnebrandcrèmes zijn er minder bekende toepassingen zoals verpakkingen, commerciële drukinkten, andere cosmetica, tandpasta’s en voedsel (waar het wordt aangegeven als de kleurstof E171).[3]

 

Verven, deklagen en plastics

Wanneer specifiek gebruikt als pigment in verf, wordt TiO2 titaanwit, pigmentwit 6 of CI 77891 genoemd. Het staat ook bekend als ‘het perfecte wit’ of ‘het witste wit’ vanwege het krachtige, puur witte uiterlijk van de stof.

Totdat de wetten in de jaren twintig van de vorige eeuw veranderden, gebruikten de meeste commerciële verffabrikanten zeer giftig loodwit als witmaker en schakelden aanvankelijk niet over op titaandioxide, deels vanwege de hogere kosten. Zinkoxide (ZnO) wordt ook gebruikt als een wit pigment, maar is niet zo doeltreffend.

Titaandioxide is nu één van de meest gebruikte pigmenten wereldwijd en vormt de basis voor de meeste verfkleuren.5 Het is ook terug te vinden in deklagen en plastics. Dit gebruik vormt meer dan 50 procent van het wereldwijde gebruik.[4]

De hoge brekingsindex van de stof betekent dat het als een pigment zichtbaar licht kan verstrooien. Dit resulteert in een dekkende kleur en creëert een heldere, reflecterende kwaliteit aan de oppervlakken of producten waaraan het wordt toegevoerd.

Een mooi voorbeeld is het gebruik van titaandioxide in verven en deklagen voor windturbines, waar het zowel gebruikt wordt om een geschikte witte kleur te verkrijgen als om bescherming tegen UV-degradatie te bieden.

 

Voeding

In levensmiddelen wordt TiO2 gebruikt in pigmentkwaliteit (zie hieronder) en E171 genoemd. In veel voedingsproducten fungeert het als witmaker, maar ook als kleur- en textuurversterker. E171 kan gladheid geven aan sommige chocoladen of een schurend effect geven, zoals in sommige snoepjes.

Lees meer over titaandioxide in voeding.

 

Cosmetica en huidverzorging

In huidverzorgingsproducten en make-up wordt titaandioxide gebruikt als pigment en als verdikkingsmiddel voor crèmes. In zonnebrandcrème wordt ultrafijn TiO2 gebruikt vanwege zijn transparantie en UV-absorberend vermogen.[5][6]

Lees meer over hoe titaandioxide wordt gebruikt in zonnebrandcrème.

 

Milieuvoordelen

Vanwege de uiteenlopende eigenschappen is titaandioxide nuttig gebleken voor vele verschillende milieuvriendelijke toepassingen.

In een verflaag op de buitenkant van gebouwen in warme en tropische klimaten kunnen de witte, reflecterende eigenschappen van TiO2 leiden tot aanzienlijke energiebesparing, aangezien ze de behoefte aan airconditioning verminderen.

Door de ondoorzichtigheid hoeft het bovendien niet in dikke of dubbele lagen te worden aangebracht, wat een efficiënter gebruik van natuurlijke grondstoffen en het vermijden van afval ten goede komt.

Als fotokatalysator kan titaandioxide worden toegevoegd aan verven, cement, ramen en tegels om milieuvervuilende elementen te ontbinden.[1][[2] Als nanomateriaal (zie hieronder) kan het ook worden gebruikt als een cruciale DeNOx-katalysator in uitlaatsystemen voor auto’s, vrachtwagens en energiecentrales om de impact op het milieu te verminderen.[7]

Onderzoekers ontdekken nieuwe potentiële gebruikstoepassingen voor titaandioxide in deze vorm. Dit omvat schone energieproductie.

Bij gebruik als fotokatalysator is ook aangetoond dat TiO2 hydrolyse kan uitvoeren (water afbreken in waterstof en zuurstof) en dat de opgevangen waterstof als brandstof kan worden gebruikt.[8]

Daarnaast bestaat er een type zonnecel, bekend als Grätzel-cellen, dat gebruik maakt van titaandioxide in nanovorm om zonne-energie te produceren in een proces dat vergelijkbaar is met fotosynthese in planten.[9][10]

Bezoek gebruik van titaandioxide voor meer informatie.

 

Wat zijn de fysieke eigenschappen van titaandioxide?

Titaandioxide heeft een aantal unieke eigenschappen die het ideaal maken voor vele verschillende toepassingen.

Het heeft een extreem hoog smeltpunt van 1843 ºC en een kookpunt van 2972 ºC. Van nature komt het dus voor als vaste stof en is zelfs in de vorm van deeltjes onoplosbaar in water. TiO2 is ook een isolatiemateriaal.[11][12]

In tegenstelling tot andere witte materialen die ietwat geel lijken in licht, verschijnt TiO2 als zuiver wit door de manier waarop het UV-licht absorbeert.

Belangrijk is ook dat titaandioxide een zeer hoge brekingsindex heeft (het vermogen om licht te verstrooien), zelfs hoger dan diamant. Dit maakt het een ongelooflijk heldere stof en een ideaal materiaal voor esthetisch design.

Nog een cruciale eigenschap van titaandioxide is dat het fotokatalytische activiteit kan vertonen onder UV-licht. Dit maakt het efficiënt voor milieuzuivering, voor verschillende soorten beschermende deklagen, sterilisatie en anti-condensatie oppervlakken en zelfs in kankertherapie.[13][14][15]

 

  • Schitterend Hogere glans, kleursterkte, opaciteit en parelmoer in vergelijking met andere stoffen.

 

  • Weerstand Stabiliteit bij warmte, licht en verwering voorkomt afbraak van verf, in films en verbrossing van plastics.

 

  • Beschermend Door het vermogen om UV-straling te verstrooien en absorberen is TiO2 een cruciaal ingrediënt voor zonnebrandcrème om de huid te beschermen tegen schadelijke, kankerverwekkende UV-stralen.

 

  • Niet-toxisch Omdat het niet-toxisch en niet-reactief is, kan het gebruikt worden in voedingsmiddelen en farmaceutica zonder dat andere ingrediënten aangetast worden.

 

  • Krachtig Het wordt gebruikt als een fotokatalysator in zonnepanelen en als reductie van vervuilende stoffen in de lucht.

 

Wat zijn de vormen van titaandioxide?

TiO2 heeft verschillende kwaliteiten als het als pigment of als nanomateriaal wordt geproduceerd. Beide vormen zijn smaakloos, reukloos en onoplosbaar.

TiO2 pigmentdeeltjes zijn ongeveer 200-350 nm groot en deze vorm maakt 98 procent van de totale productie uit. Het wordt voornamelijk gebruikt voor lichtverstrooiing en oppervlaktedekking, zoals verf. Dit omvat het gebruik als basis voor verschillende kleurverven of als een alleenstaand ‘helder’ wit.

Nano- of ultrafijn TiO2 bestaat uit primaire deeltjes die kleiner zijn dan 100 nm. In deze klasse is titaandioxide transparant (kleurloos) en beschikt over een beter vermogen voor de verstrooiing en absorptie van UV-stralen in vergelijking met de TiO2 pigmentkwaliteit , die uit grotere deeltjes bestaat.

 

Waaruit wordt titaandioxide gemaakt?

Titanium is een van de meest voorkomende metalen op aarde, maar het komt niet van nature voor in deze elementaire vorm. Titaandioxide, ook wel bekend als titanium(IV)oxide of titania, is de van nature voorkomende verbinding die ontstaat wanneer titanium reageert met zuurstof in de lucht. Als oxide wordt titanium aangetroffen in mineralen in de aardkorst. Het werd ook gevonden in combinatie met andere elementen zoals calcium en ijzer.[16]

De chemische formule is TiO2, wat betekent dat het bestaat uit één titaniumatoom en twee zuurstofatomen (vandaar dioxide). Het heeft een CAS (Chemical Abstracts Service) registratienummer 13463-67-7.[17]

TiO2 wordt typisch beschouwd als chemisch inert, wat betekent dat het niet reageert met andere chemicaliën en daarom is het een stabiele stof die in vele verschillende industrieën en voor een verscheidenheid van toepassingen kan worden gebruikt.[18]

 

Waar komt titaandioxide vandaan?

Titaandioxide zelf werd officieel voor het eerst eind 1800 genoemd en gecreëerd in een laboratorium. Het werd pas in het begin van de 20e eeuw massaal geproduceerd, toen het aanvaard begon te worden als veiliger alternatief voor andere witte pigmenten.[16]

Het element titanium en de verbinding TiO2 worden over de hele wereld aangetroffen, gekoppeld aan andere elementen zoals ijzer, in verschillende soorten steen en mineraalzand (ook als een component van sommige strandzanden). Titanium komt meestal voor als het mineraal ilmeniet (een titanium-ijzeroxide mineraal) en soms als het mineraal rutiel, een vorm van TiO2. Deze inerte moleculaire verbindingen moeten worden gescheiden door middel van een chemisch proces om zuivere titaandioxide te creëren.

 

Hoe wordt titaandioxide gewonnen?

De methode voor het extraheren van zuivere titaandioxide uit titaanhoudende moleculen hangt af van de samenstelling van de oorspronkelijke mineraalertsen of grondstoffen. Voor de productie van zuiver TiO2 worden twee methoden gebruikt: een sulfaatproces en een chlorideproces.

De belangrijkste natuurlijke bron van titaandioxide is gewonnen ilmeniet-erts, dat 45-60 procent TiO2 bevat. Hieruit of uit een verrijkt derivaat (bekend als titaanslak) kan zuiver TiO2 worden geproduceerd met behulp van het sulfaat- of chlorideproces.

 

Sulfaat- of chloridemethoden

Van de twee extractiemethoden is het sulfaatproces momenteel de meest populaire methode om TiO2 te produceren in de Europese Unie, goed voor 70 procent van de Europese winning. De overige 30 procent is het resultaat van het chlorideproces. Wereldwijd wordt geschat dat ongeveer 40-45 procent van de wereldproductie gebaseerd is op het chlorideproces.

Als veelgebruikte stof met meervoudige toepassingen wordt onderzoek uitgevoerd om het productieproces te verbeteren en de hoeveelheid gebruikte chemische stoffen en geproduceerd afval te verminderen en eventuele bijproducten te recycleren.

 

De toekomst van titaandioxide

Voor een stof die relatief onbekend is voor het publiek, is het verbazingwekkend in hoeveel alledaagse producten titaandioxide te vinden is. De vele gevarieerde eigenschappen van titaandioxide maken onze huid, steden, auto’s, huizen, voedsel en omgeving helderder, veiliger, sterker en schoner. Met een geschiedenis van 100 jaar veilig commercieel gebruik, zal titaandioxide alleen maar belangrijker worden naarmate ons milieu voor grotere uitdagingen komt te staan door een groeiende bevolking.